Análise de desempenho ambiental da cogeração de energia elétrica a partir de ... · Análise de...
124
LAÍSE ANTON Análise de desempenho ambiental da cogeração de energia elétrica a partir de adições sucessivas de biomassa em destilaria autônoma São Paulo 2017
Transcript of Análise de desempenho ambiental da cogeração de energia elétrica a partir de ... · Análise de...
LAÍSE ANTON
Análise de desempenho ambiental da cogeração de energia elétrica a partir de adições sucessivas de biomassa em destilaria autônoma
São Paulo 2017
LAÍSE ANTON
Análise de desempenho ambiental da cogeração de energia elétrica a partir de adições sucessivas de biomassa em destilaria autônoma
Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para a obtenção do título de Mestre em Ciências
Orientador: Prof. Dr. Luiz Alexandre Kulay
São Paulo 2017
LAÍSE ANTON
Análise de desempenho ambiental da cogeração de energia elétrica a partir de adições sucessivas de biomassa em destilaria autônoma
Dissertação apresentada a Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para a obtenção do título de Mestre em Ciências Área de Concentração: Engenharia Química Orientador: Prof. Dr. Luiz Alexandre Kulay
São Paulo 2017
Este exemplar foi revisado e corrigido em relação à versão original, sob responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador. São Paulo, 21 de fevereiro de 2017.
Assinatura do autor: ________________________
Assinatura do orientador: ________________________
Catalogação-na-publicação
Anton, Laíse Análise de desempenho ambiental da cogeração de energia elétrica a
partir de adições sucessivas de biomassa em destilaria autônoma / L. Anton – - versão corr. -- São Paulo, 2017.
124 p.
Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia Química. 1.Biomassa 2.Cogeração 3.Avaliação de Ciclo de Vida 4.Ciclo Rankine 5.Análise Energética I.Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia Química II.t.
Dedico este trabalho a minha família.
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar, agradeço ao professor Dr. Luiz Alexandre Kulay pelo comprometimento
no desenvolvimento desse trabalho, pela orientação e, sobretudo, pela amizade cultivada e,
principalmente pela compreensão nos momentos mais difíceis.
Aos colegas do GP2 que de certa forma contribuíram para aelaboração desse trabalho: Alex,
Letícia, Ana, Cristina, Hugo.
Ao professor Gil Anderi da Silva, pela ajuda no momento difícil.
A minha família e amigos pelo apoio e incentivo.
RESUMO
Uma análise do setor sucroalcooleiro nacional revela sua autossuficiência energética que com
investimentos adequados, pode evoluir para transformar tal característica em benefício por
meio de exportação de energia elétrica. Atualmente, os sistemas de cogeração das usinas de
etanol operam com bagaço-de-cana; no entantoesse quadro deve ser alterado devido ao
grande aumento de disponibilidade de palha gerada no campo. Um acordo firmado entre o
Governo do Estado de São Paulo e UNICA, que limita e condiciona queimadas durante a
colheita na região ratifica essa condição. O presente estudo se propõe a estimar e discutir
impactos ambientais associados à cogeração de energia elétrica em destilarias autônomas para
situações diversas de operação do ciclo Rankine, modelo de termodinâmico adotado para
representar o funcionamento daquele sistema. Para atender a tais propósitosforam verificadas
diferentes condições de pressão de operação da caldeira (20, 45, 67, 80 e 100 bar), teor de
umidade da palha (10%, 15%, 25%, 35% e 50%), e taxa de adição dessa biomassa (10%,
20%, 30%, 40% e 50%) com relação ao total gerado no campo. A coordenação simultânea
dessas variáveis resultou na formulação de cento e vinte e cinco cenários de análise. Os
cenários foram analisados a partir de Análise Energética (Análise Termodinâmica de 1ª e
2ªLeis) e Avaliação de Ciclo de Vida (ACV). AACVocorreusob enfoque do tipo “berço-ao-
portão”, e seguiu diretrizes metodológicas descritas na normaABNT NBR ISO 14044.
Adotou-se como unidade funcional para o estudo “produzir10 t de etanol anidro (99,5% w/w)
”. O sistema de produto compreende atividades realizadas nas etapas agrícola (de produção de
cana-de-açúcar e palha) e industrial (obtenção de etanol e cogeração). A análise ocorreu em
termos da geração específica deeletricidade, e de perfil de impactos ambientais, definido em
termos dos potenciais de Mudanças Climáticas, Acidificação Terrestre, Eutrofização
Aquática, e de Formação de Oxidantes Fotoquímicos e de Material Particulado.Os resultados
obtidos indicam que a eficiência energética aumenta com a elevação das funções de estado do
vapor superaquecido que é injetadona turbina. Em termos de desempenho ambiental,
observou-se redução sistêmica de efeitos adversoscom o aumento da eficiência do ciclo
termodinâmico. Os resultados também ratificaram como condição mais favorável em termos
de desempenho ambiental aquela em que 50% da palha gerada no campo, com 10% de
umidade, é aproveitada como fonte de energia térmica na caldeira, produzindo vapor
superaquecido a 100 bar.
Palavras-chave: Biomassa. Cogeração. Ciclo Rankine. Análise energética. Avaliação do Ciclo
de Vida
ABSTRACT
Analyzing the sugar-alcohol sector in Brazil, one can perceive that it is self-sufficient in
energy terms and that, with adequate investments, it can evolve to transform this
characteristic into a benefit through the export of electricity. Currently, the cogeneration
systems of the ethanol plants operate with bagasse. However, this picture should be changed
due to the large increase in availability of straw generated in the field. An agreement signed
between the Government of the State of São Paulo and the federation of ethanol and sugar
mills (UNICA) that limits and conditions burnings during harvesting in the region ratifies this
condition. This study estimates and discusses environmental impacts associated with the
cogeneration of power in autonomous distilleries for typical operational conditions of the
Rankine cycle, a thermodynamic model adopted to represent the operation of that system. In
order to meet these purposes, different boiler operating pressure (20, 45, 67, 80 and 100 bar),
moisture content of the straw (10%, 15%, 25%, 35% and 50%), and rate of biomass feeding
(10%, 20%, 30%, 40% and 50%) in relation to the total generated in the field have been
verified.The simultaneous coordination of these variables resulted in the formulation of one
hundred and twenty-five analysis scenarios, which were investigated in terms of Energy
Analysis (Thermodynamic Analysis of 1st and 2nd Laws) and Life Cycle Assessment (LCA).
The LCA was carried out under a "cradle-to-gate" approach and followed the methodological
guidelines described in ABNT NBR ISO 14044. It was adopted as a Functional Unit for the
study "to produce 10 t of anhydrous ethanol (99.5% w/w) ". The product system comprises
activities that occur in the agricultural (production of sugarcane and straw) and industrial
(synthesis of ethanol and cogeneration) stages. The analysis took place in terms of the
specific generation of electricity, and of environmental impact profiles have been defined in
terms of the potential of Climate Change, Terrestrial Acidification, Aquatic Eutrophication,
and Formation of Photochemical Oxidants and Particulate Material. The results indicate that
the energy efficiency increases with the increase of the state functions of the steam that is
injected into the turbine. Regarding the environmental performance, it was observed a
systemic reduction of adverse effects with the increase of the efficiency of the
thermodynamic cycle. The results also confirmed that the most favorable condition in terms
of environmental performance is that one which 50% of the straw produced in the field, with
10% humidity, is used as a source of thermal energy in the boiler, producing superheated
steam at 100 bar.
Keywords: Biomass. Cogeneration. Rankine cycle. Energy analysis. Life Cycle Assessment.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Estrutura geral da cana-de-açúcar 24
Figura 2 –Representação de um ciclo Rankine com reaquecimento 28
Figura 3 – Prazo para eliminação da queima da palha no estado de São Paulo 33
Figura 4 –Representação esquemática genérica do ciclo de vida de um produto 37
Figura 5 – Etapas de ACV:diretrizes definidas pela norma ABNT NBR ISO 14040 40
Figura 6 – Representação de ciclo Rankine com reaquecimento 56
Figura 7 –Esquema ilustrativo da caldeira de força 58
Figura 8 –Desenho esquemático ilustrativo do arranjo turbina e gerador 62
Figura 9 – Ilustração do conjunto condensador e torre de resfriamento 63
Figura 10 –Detalhe da bomba de recalque de condensado 66
Figura 11 – Representação da unidade dedesaeração 67
Figura 12 –Sistema de produtopara geração de eletricidade a partir de biomassa de cana-de-açúcar 73
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Percentual de área total de cana-de-açícar por Unidade da Federação 18
Gráfico 2 –Perfil comparado de produtividade (t/ha) de cana-de-açúcar por região 19
Gráfico 3 –Produção de cana-de-açúcar por estado 20
Gráfico 4 –Produção total de etanol por região do Brasil 22
Gráfico 5 – Pressão vs. Adição de palha vs. Umidade da palhapara TAc 92
Gráfico 6 –TAc vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para diferentes pressões 93
Gráfico 7 –Pressão vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para FEu 94
Gráfico 8 –FEu vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para diferentes pressões 95
Gráfico 9 – Pressão vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para POF 96
Gráfico 10 –POF vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para diferentes pressões 97
Gráfico 11 –Pressão vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para PMF 99
Gráfico 12 –PMF vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para diferentes pressões 100
Gráfico 13 –Pressão vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para CC 101
Gráfico 14 –CC vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para diferentes pressões 102
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Características dos cenários avaliados: pressão de vapor, taxa de adição e umidade de palha 50 Tabela 2 – Variação do consumo de eletricidade na unidade industrial em função da umidade da palha 53 Tabela 3 – Parâmetros gerais utilizados para estimativa e modelagem dos cenários de análise 55 Tabela 4 – Pressão de extração ótima de vapor a ser efetuada na turbina para os diferentes níveis de operação caldeira em termos de pressão de vapor superaquecido 60 Tabela 5 – Características e propriedades do bagaço e palha de cana-de-açúcar 69 Tabela 6 – Fatores de alocação para partição de cargas ambientais entre eletricidade exportada, eletricidade consumida no processo, e vapor de alta pressão (@ 20 bar) 74 Tabela 7 – Fatores de alocação para partição de cargas ambientais entre eletricidade exportada, eletricidade consumida no processo, e vapor de alta pressão (@ 45 bar) 75 Tabela 8 – Fatores de alocação para partição de cargas ambientais entre eletricidade exportada, eletricidade consumida no processo, e vapor de alta pressão (@ 67 bar) 76 Tabela 9 – Fatores de alocação para partição de cargas ambientais entre eletricidade exportada, eletricidade consumida no processo, e vapor de alta pressão (@ 80 bar) 77 Tabela 10 – Fatores de alocação para partição de cargas ambientais entre eletricidade exportada, eletricidade consumida no processo, e vapor de alta pressão (@ 100 bar) 78 Tabela 11 – Eletricidade Excedente gerada em cada cenário de análise 81 Tabela 12 – Aspectos ambientais associados à produção de 1,0 t de cana-de-açúcar para as condições de processamento agrícola exercitadas no Estado de São Paulo 83 Tabela 13 – Inventário produção de 10 t C2H6O (99,5%w/w) 87 Tabela 14 – Fatores de emissão para queima de óleo diesel em maquinários agrícolas 88 Tabela 15 – Inventário do sistema de cogeração para: P = 20 bar, a = 10 % palha, u = 10% 90 Tabela 16 – Análise da influência da pressão de operação do sistema sobre POF 97 Tabela 17 – Análise da influência da pressão de operação do sistema sobre PMF 100 Tabela 18 – Análise da influência da pressão de operação do sistema sobre CC 102
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 12
2 OBJETIVOS ..................................................................................................................... 16
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................... 17
3.1 Cana-de-açúcar, etanol e eletricidade ....................................................................... 17
3.1.1 Dados da produção e mercado ............................................................................ 17
3.1.2 Produção de etanol e eletricidade ....................................................................... 23
3.1.3 Impactos ambientais gerados pelo cultivo de cana ............................................. 35
3.2 Avaliação do Ciclo de Vida (ACV): conceito, aplicações e método........................ 36
3.2.1 Definição do objetivo e escopo do estudo de ACV ............................................ 41
3.2.2 Análise de Inventário .......................................................................................... 43
3.2.3 Avaliação dos impactos ambientais .................................................................... 44
3.2.4 Interpretação dos resultados ............................................................................... 45
3.2.5 Estudos ACV voltados à cogeração de eletricidade ........................................... 46
4 MÉTODO DE TRABALHO ............................................................................................ 49
4.1 Definição dos cenários.............................................................................................. 50
4.2 Modelagem Termodinâmica dos Cenários ............................................................... 52
4.2.1 Premissas e definição dos parâmetros operacionais dos cenários ................. 52
4.2.2 Construção de modelos matemáticos .............................................................. 54
4.2.3 Características específicas dos arranjos .............................................................. 55
4.2.4 Modelagem dos equipamentos ........................................................................... 56
4.2.5 Cogeração ........................................................................................................... 68
4.3 Aspectos Específicos da Avaliação Ambiental ........................................................ 70
4.3.1 Definição de Objetivo e Definição de Escopo: Função, Unidade Funcional e
Fluxo de Referência .......................................................................................................... 70
4.3.2 Sistema de produto e fronteiras do sistema ........................................................ 71
4.3.3 Tipo e qualidade dos dados, e Tratamento de multifuncionalidades .................. 72
4.3.4 Método de Avaliação de Impactos e Categorias de Impacto Ambiental ............ 79
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ..................................................................................... 80
5.1 Análise termodinâmica ............................................................................................. 80
5.2 Análise Ambiental - Inventários de Ciclo de Vida – ICVs ...................................... 82
5.2.1 Produção de cana-de-açúcar ............................................................................... 82
5.2.2 Tratamentos preliminares e transporte de cana-de-açúcar e palha ..................... 85
5.2.3 Tratamento e moagem de cana-de-açúcar .......................................................... 85
5.2.4 Produção de etanol hidratado ............................................................................. 86
5.2.5 Enfardamento da Palha ....................................................................................... 87
5.2.6 Transporte da palha ............................................................................................ 88
5.2.7 Moagem da palha................................................................................................ 89
5.2.8 Cogeração ........................................................................................................... 89
5.3 Avaliação de Impactos.............................................................................................. 91
5.3.1 Acidificação Terrestre (TAc).............................................................................. 91
5.3.2 Eutrofização Aquática (FEu) .............................................................................. 94
5.3.3 Formação de Oxidante Fotoquímico (POF) ....................................................... 96
5.3.4 Formação de Material Particulado (PMF) .......................................................... 98
5.3.5 Mudanças Climáticas (CC) ............................................................................... 101
6 CONCLUSÕES .............................................................................................................. 104
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 106
APÊNDICE A ..................................................................................................................... 113
12
1 INTRODUÇÃO
A produção de açúcar e álcool se destaca como uma das principais atividades produtivas
do Brasil. O setor sucroalcooleiro passa por um momento de modernização e crescimento,
devido a mudanças no cenário econômico nacional que a cada ano, sobretudo em termos de
commodities agrícolas e bioprodutos, busca reforçar posições no mercado internacional sem,
no entanto, abrir mão de suprir as demandas internas.
No caso específico do segmento em questão, podem ser apontados como agentes
propulsores de tais avanços a abertura do mercado externo para o etanol brasileiro; a
consolidação da tecnologia flex-fuel junto ao mercado interno; e a criação de mecanismos
para comercialização dos excedentes de energia elétrica gerados por usinas de autônomas e
anexas, para a rede concessionária (UNICA, 2015).
Ainda assim, para perseverar em um meio cada vez mais exigente, as empresas que
atuam no ramo precisam constantemente elevar seu nível de competitividade expandindo
receitas e/ou reduzindo despesas. Sob o ponto de vista de gestão, tais resultados poderiam ser
alcançados a partir de ações de duas naturezas, inclusive a serem implementadas,
eventualmente, de forma simultânea.
O primeiro grupo de ações consiste das elevações da produtividade agrícola e do
rendimento industrial dos processos que compõem essas cadeias produtivas, com vistas a
intensificar a obtenção dos produtos principais de ambos os estágios: cana-de-açúcar e etanol.
O segundo nível de atuação compreende a redução de perdas de processo, ação que em
termos práticos poderia também ser entendida como intensificar o reaproveitamento de
resíduos como vinhaça, torta de filtro e cinza gerados no ciclo industrial, e da palha
remanescente daatividade agrícola.
Dentre as opções antes em destaque deve merecer atenção particular o reaproveitamento
de resíduos agrícolas. O uso de material lignocelulósico – na forma de bagaço excedente e
palha – vem se consolidando como uma importante fonte complementar de produção de
etanol. Muito embora a tecnologia encontre-se ainda em fase de desenvolvimento, condição
que por naturezaelevaos custos a ela associados a patamares superiores aosatingidos pela rota
convencional, a produção do chamado etanol de segunda geração, ou etanol 2G, vem
despertando cada vez mais interesse entre os usineiros (CORTEZ, 2010).
13
Outra possibilidade palpável para o reaproveitamento de biomassa consiste do
aproveitamento da palha como combustível complementar nas caldeiras que integram o ciclo
de cogeração, com o intuito de incrementar a oferta de vapor e, por conta disso, de energia
elétrica. O objetivo maior dessa ação é ser capaz de exportar para a rede concessionária
quantidades cada vez mais elevadas do excedente de eletricidade produzida por aquele
sistema.
Antes de um desenvolvimento, o reaproveitamento de palha pode ser interpretado como
uma adequação de condições do processo já existentes em âmbito sistêmico. Ao viabilizar seu
uso no ciclo Rankine muitas usinas reverteram uma relação que antes era de dependência com
as redes concessionárias, e passaram a ser fornecedoras de energia elétrica. O nível de
intervenção atual das organizações que optaram por seguir tal caminho é tão intenso, que a
posição por elas adquirida lhes permite estabelecer bases para composição dos preços de
eletricidade (UNICA, 2015).
Uma tendência franca de ampliação desse quadro pode ser esperada para os próximos
anos. Estaprojeçãose fundamenta em dois fatores. O primeiro deles é de ordem tecnológica, e
está associado ao fato de a palha poder ser usada, ainda que dentro de limites definidos, como
agente de fornecimento de energia. O segundo fator remeteàoferta da mesma biomassa. O
Protocolo Agroambiental, estabelecido entre o Governo do Estado de São Paulo – maior
produtor em nível nacional de cana-de-açúcar – e a União da Agroindústria Canavieira
(UNICA), antecipou os prazos legais para eliminação de queimadasna região. O acordo
firmado em 2007 determinouque a extinção da prática em áreas passíveisde realização de
colheita mecanizadaocorresse em 2014, e não mais no prazo em que fora originalmente
concebido, de 2021. Dentro da mesma linha de abordagem, as queimadas de palha em zonas
nas quais não existe tecnologia adequada para mecanização deveriam cessar em 2017, e não
mais em 2031 (SÃO PAULO, 2007).
Um terceiro elemento, relacionado à forma de gestão das sobras de palha por parte do
produtor, pode ainda ser considerado na mesma esfera de análise. Ao observar a questão com
maior nível de detalhe percebe-se haver apenas dois encaminhamentos possíveis: (i) aquele
estabelecidoa partir de uma ótica essencialmente reativa, em que os restos culturais devem ser
tratados e dispostos de maneira inadequada, que hipoteca custos e desembolsos regulares; ou
(ii) uma opção baseada em enfoque proativo, caminho em que investimentos seriam feitos
14
com vistas a valorizar a biomassa como insumo de processo para produção de bens de
consumo.
Nesse caso, muito embora se deva prever desembolsos mais vultosos do que aqueles
realizados para efeito de tratamento da palha, as receitas alcançadas com os produtos
derivados dessa ação levariam a resultados superavitários, mesmo acrescentando custos de
tratamento de rejeitos e/ou de reaproveitamento de resíduos derivados desta conduta
processual.
Além disso, o aproveitamento da palhagera um dividendo acessório importante para o
segmento ao atribuir-lhe uma imagem de responsabilidade ambiental. Ao suprimir em caráter
definitivo as queimadas, usinas e destilarias afastam, ao menos em tese, o estigma de
poluidores que se criou junto ao grande público. Esses efeitos adversos acabam, de forma
inexorável, incidindo sobre a aceitação do etanol brasileiro no mercado estrangeiro.
Dentro ainda da vertente ambiental o uso de ativos agrícolas em atividades antrópicas é
visto como benefício, quando comparado aos sucedâneos de origem fóssil. Essa visão baseia-
se nos ganhos potenciais que estes proporcionam em termos de caráter de renovabilidade, e
de balanço de carbono. No entanto, é fundamental não perder de vista que oconsumo indireto
de recursos não renováveis (para, por exemplo, as produções de fertilizantes, agroquímicos e
combustíveis), o aporte de agentes tóxicos à água e ao solo, a ocupação e transformação do
solo, e a alteração da biodiversidade local, são também aspectos inerentes, e negativos, da
mesma opção.
Há muitos estudos sobre reaproveitamento de palha disponíveis na literatura técnica. No
entanto, essas abordagens concentram esforços principalmente no caráter termodinâmico dos
processos de produção (FILHO e BADR, 2004; HASSUANI et al, 2005; SARTORI e
FLORENTINO, 2007; ENSINAS, 2008; SEABRA, 2008; DIAS et al 2009; MOTA et al,
2009; DANTAS, 2010; OLIVÉRIO e FERREIRA, 2010; PELLEGRINI et al, 2010;SOUSA e
MACEDO, 2010; DIAS et al 2011;PELLEGRINI e OLIVEIRA JR, 2011; SEABRA e
MACEDO, 2011; LINERO, 2012; CARDOSO et al, 2013; LEAL, 2013).
Quando a mesma questão é investigada no mérito ambiental as análises restringem-seà
magnificação de emissões atmosféricas (LORA e TEIXEIRA, 2001; RIPOLI e RIPOLI,
2009). Ainda, se uma verificação ambiental de amplitude sistêmica foi realizada
(SUGAWARA, 2012; CALDEIRA-PIRES et al, 2013; GIL et al, 2013; GUERRA et al, 2014;
15
GUERRA, 2014; MILANEZ et al, 2014; SIGNOR et al, 2014; SILVA et al, 2014) esta
ocorreu para condições bem definidas de utilização de palha.
O levantamento em questão não identificou, portanto, pesquisas voltadas à avaliação do
desempenho ambiental da cogeração de energia elétrica a partir da queima de palha
envolvendo diferentes condições de operação do sistema e adições incrementais dessa
biomassa, a qual se encontrasse inclusive em condições diversas.
O presente estudo se propôs a preencher, ainda que em parte, essa lacuna. Para tanto, fez
uso de uma abordagem conjugada, em que se buscou coordenar de forma sinérgica, a
aplicação de duas técnicas: a Análise Energética, que está fundamentada em conceitos
termodinâmicos; e a Avaliação de Ciclo de Vida (ACV), a qual, por essência, se atém a
compor diagnósticos de desempenho ambiental de sistemas antrópicos.
Com esta investigação de ordem acadêmico-científica espera-se dar uma contribuição
para que os setores sucroalcooleiro, e de planejamento energético, possam dispor de mais
subsídios para seguir atuando de maneira proativa, consciente e responsável sobretudo, no
tocante ao trato da variável ambiental, dentro da interface que claramente se estabeleceu entre
ambos.
16
2 OBJETIVOS
Tendo em vista a problemática apresentada no capítulo anterior, este estudo se propõe,
em termos de objetivo geral, a verificar os efeitosambientaisde adições sucessivas de palha de
cana-de-açúcar na cogeração de energia elétrica.
Como propósitos adicionais, destacam-se ainda como interesses complementares do
mesmo esforço de pesquisa:
• Elaborar um diagnóstico de avaliação do desempenho ambiental da exportação de
eletricidade associada à produção de etanol;
• Juntar subsídios que permitam incorporar a variável ambiental a ações de
planejamento energético para as quais o modal em análise seja parte integrante; e,
• Contribuir para o Banco de Dados brasileiro de apoio à elaboração de estudos de
Avaliação de Ciclo de Vida.
17
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Cana-de-açúcar, etanol e eletricidade
3.1.1 Dados da produção e mercado
O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar e açúcar, além de ocupar o
segundo posto no ranking internacional de produção de etanol atrás apenas dos Estados
Unidos (RFA, 2016). Estes desempenhos ampliam as perspectivas do país em termos de
captação de divisas junto aos mercados externos de alimentos e biocombustíveis (MAPA,
2015).Segundo a CONAB (2016), a estimativa para a safra 2016/2017 é que de que o Brasil
atinja o patamar de 691 milhões de toneladas (Mt) de cana-de-açúcar, condição que, caso
atendida, projetará um crescimento de 3,8% em relação à safra anterior. Dos principais
estados produtores do Centro-Sul do Brasil, São Paulo, Goiás, Minas Gerais, Paraná, Mato
Grosso e Mato Grosso do Sul, apenas os dois últimos acusaram queda na produção de cana no
período.
Em São Paulo, observou-se crescimento absoluto de pouco mais de 14 mil toneladas
(kt) entre as safras. O acréscimo se justifica devido: (i) as condições climáticas registradas
nos últimos meses serem bastante favoráveis ao desenvolvimento das lavouras; e (ii) ao
excesso de chuva ocorrido no transcurso da safra passadaque dificultou – e em certas zonas,
até impediu – a colheita da cana (CONAB, 2016).
Em 2016/2017 a área colhida foi pouco superior a 9,0 milhões de hectares (Mha), um
aumento de 4,8% com relação ao que ocorreu no período anterior. Uma parte desse avanço é
resultado da cana bisada da safra 2015/2016. A cana bisada é aquela cuja colheita ocorreu na
safra seguinte àquela em que ocorreu o plantio por falta de tempo, ou mesmo, devido a
condições climáticas adversas. Essa cana passa, portanto, por dois ciclos de desenvolvimento
(meses chuvosos de outubro a março). Por conta disso, apresenta brotos laterais isoporizados,
com mais açúcares invertidos e, consequentemente, com menor potencial de produzir álcool e
açúcar (DUFT, 2016).
De acordo com Cortez (2010), a época ideal para colheita da cana ocorre 12 meses
após o corte da soca, período em que a planta cresce e matura. Na visão do autor, a cana
bisada é um efeito indesejado, que se manifestaem virtude de problemas genéticos cujo
aparecimento se dá no transcorrer da safra. Para Cortez, afalta de planejamento adequado das
usinas para realizar a colheita pode intensificar a incidência deste problema.
18
Outras causas do crescimento da área colhida em São Paulo foram: o aumento de área
própria de algumas unidades de produção, e a expansão da lavoura sobre uma área produtiva
existente no estado, que outrora já fora utilizada para esse mesmo cultivo, mas que há alguns
anos encontrava-se desativada (CONAB, 2016).
Em termos de distribuição geográfica, São Paulo ocupa papel de destaque na indústria
sucroalcooleira (Gráfico1), respondendo por 4,7 Mha, ou seja, pouco mais de 52% da área
total de cultivo de cana do país. A este se seguem Goiás, Minas Gerais, Paraná, Mato Grosso
do Sul, Alagoas e Pernambuco. Juntos, todos esses estados totalizam cerca de 92% da
produção nacional do ativo agrícola (CONAB, 2016).
Gráfico 1 - Percentual de área total de cana-de-açúcar por Unidade da Federação
Fonte: CONAB (2016)
A produtividade média estimada para todo o país na temporada 2016/2017 é de
76,2t/ha. A redução de 1,0%, em relação à safra anterior (76,9 t/ha), é reflexo da redução de
desempenho observada no Centro-Sul (São Paulo inclusive teve queda de 1,6%), região na
qual as lavouras alcançaram recordes de produtividades no período anterior (Gráfico 2). De
qualquer forma, no Nordeste há expectativa de recuperação do potencial produtivo da cana,
depois de a região sofrer com más condições climáticas em 2015/2016, sem poder sequer
mitigar esses efeitos devido ao baixo nível tecnológico
(CONAB, 2016).
Gráfico 2 – Perfil comparado de produtividade (t/ha) de cana
Fonte: CONAB (2016)
São Paulo lidera o ranking d
agrícola. O estado registrou um aumento
quinzena de julho de 2016.
entre Julho de 2016 (86,3 t/ha)
Aprodução brasileira de açúcar elevou
alcançando naquela ocasião 38 Mt. Esse limite foi mantido até a safra 2013/2014, se
reduzindo para menos de 35 Mt nas duas edições seguintes. No período 2
inclusive uma redução de 5,8% no volume produzido, que chegou a 33Mt. Para a safra
2016/2017 espera-se um reaquecimento do mercado com retorno ao patamar de
previsão está baseada na forte expectati
federação devemresponder por este expressivo resultado
Goiás, Alagoas, e Mato Grosso do Sul (
Com relação aos subprodutos
feitas pela UNICA. A primeira instituição infere que o ATR
médio da cana nesta safra seja de 130 kg/t de cana
efeitos devido ao baixo nível tecnológico existentepara manejo e colheita
Perfil comparado de produtividade (t/ha) de cana-de-açúcar por região
lidera o ranking dos estados produtores de cana qua
registrou um aumento acumulado de 1,3% neste índice
quinzena de julho de 2016.Uma análise mensal revela, porém, crescimento
ulho de 2016 (86,3 t/ha) e o mesmo período de 2015 (85,8 t/ha) (UNICA,2016)
Aprodução brasileira de açúcar elevou-se em 44% entre as safras 2005/06 e 2010/2011,
alcançando naquela ocasião 38 Mt. Esse limite foi mantido até a safra 2013/2014, se
reduzindo para menos de 35 Mt nas duas edições seguintes. No período 2
inclusive uma redução de 5,8% no volume produzido, que chegou a 33Mt. Para a safra
se um reaquecimento do mercado com retorno ao patamar de
na forte expectativa de evolução na área plantada.
mresponder por este expressivo resultado: São Paulo, Minas Gerais, Paraná,
Mato Grosso do Sul (CONAB, 2016).
Com relação aos subprodutos, há divergência entre as previsões
primeira instituição infere que o ATR (Açúcar Total Re
esta safra seja de 130 kg/t de cana-de-açúcar (tc), portanto mais baixo do que
19
existentepara manejo e colheita
açúcar por região
quanto à produtividade
neste índicena segunda
crescimento menor(de 0,60%)
(UNICA,2016).
se em 44% entre as safras 2005/06 e 2010/2011,
alcançando naquela ocasião 38 Mt. Esse limite foi mantido até a safra 2013/2014, se
reduzindo para menos de 35 Mt nas duas edições seguintes. No período 2015/16 houve
inclusive uma redução de 5,8% no volume produzido, que chegou a 33Mt. Para a safra
se um reaquecimento do mercado com retorno ao patamar de 38Mt. A
va de evolução na área plantada. Seis estados da
: São Paulo, Minas Gerais, Paraná,
há divergência entre as previsões da CONAB e aquelas
(Açúcar Total Recuperável)
), portanto mais baixo do que
20
o obtido para a safra anterior (138,8 kg/tc). Desse quadro decorreria uma redução drástica de
coprodutosderivados da cana, que são os casos específicos de açúcar, bagaço, melaço,
vinhaça, óleo fúsel, álcool bruto, torta de filtro, e levedura seca.
No caso específico do açúcar, a agência estima queda de 2,8% da produção com relação
ao ano anterior, ou seja, 617 kt (CONAB, 2016). Já a UNICA contabilizaelevação do ATR
médio global, motivado principalmente por contado desempenho apresentado pelas lavouras
paulistas no período (UNICA, 2016).
O elevado desempenho em termos de produtividade agrícola é apenas uma das razões
da liderança do estado de São Paulo em termos de produção de cana. A outra razão, talvez
ainda mais conclusiva para justificar esta posição, mesmo que guarde uma correlação
biunívoca com a primeira é o volume de produção.
Tal como está descrito no diagrama do Gráfico 3 o estado acumulou, individualmente,
mais de 55% da produção nacional na safra 2015/2016. Esse desempenho, que corresponde
ao dobro da somatória das performances de Goiás, Minas Gerais, e Mato Grosso do Sul –
estados que se seguem a São Paulo neste ranqueamento –, baseia-se em três fatores: (i)
substituição maciça de áreas de pastoreio e de outros cultivos por lavouras de cana-de-açúcar;
(ii) uso de engenharia genética avançada para formulação de cultivares que estejam
plenamente adaptados às condições edafoclimáticas, de solo e relevo da região; (iii) adoção
de mecanização não apenas para semeadura e tratos culturais, mas principalmente, para a
colheita, motivado por questões ambientais e de saúde ocupacional associadas à queima da
palha (CORTEZ, 2010).
Gráfico 3 – Produção de cana-de-açúcar por estado
Fonte: CONAB (2016)
21
O aumento no preço dos combustíveis vem mantendo aquecida a demanda por etanol
nos últimos meses. O preço do açúcar também tem sido beneficiado pela conjuntura
econômica internacional, devido à queda daprodução de importantes países produtores como
Tailândia e China. Em ambos os casos a redução de oferta deve-se àestiagem queafetou
significativamente a produtividade da cana naqueles países. Em termos de conversão de cana
em produto final, a safra 2016/2017 projeta perfil mais equilibrado que os demonstrados em
edições anteriores, com relação de distribuição percentual de 54:46 entre açúcar e etanol
(UNICA, 2016).
A produção brasileira de etanol total na mesma safra deverá ser de aproximadamente
30 bilhões de litros, valor inferior àquelealcançado pelo exercício anterior em 0,40% (121
milhões de litros). Asregiões Centro-Oeste, Nordeste e Norte podem ser apontadas como
principais responsáveis pelo decréscimo de desempenho. O volume produzido de etanol
anidro, cuja aplicação mais comum é a mistura com gasolina, será aumentado em 4,7% com
relação ao resultado obtido em 2015/2016 de 11,2 bilhões de litros. Essa diferença deve ser
proporcionada por intensificação da produção de destilarias autônomas e anexas localizadas
na Bahia, no Mato Grosso do Sul, em Goiás, Minas Gerais, São Paulo e Paraíba.
Para o etanol hidratado, utilizado nos veículos flex-fuel, prevê-se aumento mais
discreto, de 3,4% da produção (649 milhõesde litros) da safra passada para esta. Esse ganho
se justifica em virtude do aumento de produção de Alagoas, Rio Grande do Norte, Maranhão,
Espírito Santo e Rio de Janeiro, estados que tradicionalmente detêm menores índices na
produção do combustível.
Como já seria de se supor, a produção de etanol está concentrada no Sudeste do Brasil.
De acordo com estimativas feitas pela CONAB, a região irá contribuir com pouco mais de
60% do total produzido no país na safra 2016/2017 (Gráfico 4), um desempenho que
inclusive supera o doano anterior em 1,8%. Os mesmos levantamentosestabelecem o ranking
dos demais envolvidos nesse mercado com a seguinteordem: Centro-Oeste; Sul e Nordeste,
que estariam virtualmente empatados; e Norte, com uma participação mais discreta (CONAB,
2016).
Encerrada a moagem de cana-de-açúcar naregião Centro-Sul do Brasil apenas algumas
usinas seguem produzindo eletricidade a partir de bagaço, ou de fontes alternativas de
biomassas. Estatísticas realizadas pela Câmara de Comercialização de Energia Elétrica
22
(CCEE) parao período compreendido entre Janeiro e Julho de 2016 dão conta, porém, que a
cogeração energética realizada a partir dessa classe de matéria-prima aumentou em pouco
mais de 7,0% em todo o país, quando comparada com igual intervalo de tempo no ano
anterior (CCEE, 2016).
Gráfico 4 – Produção total de etanol por região do Brasil
Fonte: CONAB (2016)
Apesar de expressiva, a maior parte da contribuição do setor não manteve o mesmo
perfil de desempenho ao longo dos meses que se seguiram. Isso porque o ritmo de produção
observadonasduas primeiras semanas de 2016 foi conseguido com estoques de matéria-prima
(bagaço e palha) remanescentes de 2015. À época, o preço da energia no mercado atingiu a
marca recorde de 822,00 R$/MWh, valor teto alcançado no período pelo Preço de Liquidação
de Diferenças (PLD), que serve de referência para o mercado livre do insumo.Durante o ano
de 2016, vigorou um novo valor teto de remuneração para o produto – 388,00 R$/MWh – que
acabou por refrear aquele movimento de ascensão econômica.Isso ocorreu porque um PLD
tão atraente acabou inflacionando um mercado algo recente (compra e venda de biomassa)
surgido dentro do setor sucroalcooleiro diante de oportunidadesfavoráveis de remuneração
quanto aquelaspropagadas pelo cenário de 2015 (BATISTA, 2015).Apenas a título de
ilustração de como oscilou este mercado, em Agosto de 2016 a energia atingiu o patamar de
117,44 R$/MWh (CCEE,2016)
A despeito do aumento de capacidade instalada, a geração efetiva de energia elétrica
em 2015 está condicionada a alguns fatores como: (i) oferta de cana-de-açúcar; (ii) ganhos de
23
eficiência energética das usinas; (iii) investimento em aproveitamento da palha; e (iv) do
preço da biomassa adquirida junto a terceiros. Essas questões influenciam diretamente a
viabilidade donegócio de exportação de eletricidade, cuja gestão, expectativas e até mesmo,
as limitações, variam de usina para usina.
Algumas mudanças nos leilões do mercado regulado realizados pela Agencia Nacional
de Energia Elétrica (ANEEL) tendem a recompor, ainda que em parte, a atratividade do
negócio para as usinas. Atendendo às demandas do setor, o Governo Federal lançou um leilão
exclusivo de biomassa, que ocorreu em Abril de 2015, e para o qual foram cadastrados cerca
de quatro dezenas de projetos voltados ao uso de biomassa. Juntas, todas essas iniciativas
perfazem cerca de 2,1 PW (Peta Watts) de potência (BATISTA, 2015).
3.1.2 Produção de etanol e eletricidade
3.1.2.1 A cana-de-açúcar
A cultura de cana-de-açúcar tem um papel ambiental muito importante, uma vez que o
etanol, seu principal produto derivado, ao menos em termos de volumes produzidos, se
apresenta como alternativa concreta para redução de emissões de Gases de Efeito Estufa
(GEE) A cana-de-açúcar (Saccharum L.) é uma gramínea semiperene de bom
desenvolvimento em solos aerados e com drenagem, condições para as quais exige-se que a
profundidade seja superior a 1,0 metro (EMBRAPA, 2014).
O desenvolvimento da cana ocorre em dois ciclos culturais. O primeiro destes ciclos
se denomina de cana-planta, e ocorre quando a planta ainda não foi exposta ao primeiro corte;
sua duração pode variar de 12 a 18 meses, dependendo a variedade cultivada (CONAB,
2014). Logo após ter sido realizado o primeiro corte, inicia-se formalmente o chamado ciclo
da cana-soca, cuja duração se mantêm em torno de 12 meses a despeito da espécie plantada.
A semiperenidade da cana se aplica em virtude das perspectivas de serem realizados
vários cortes sucessivos sem a necessidade de replantio. No entanto, no início de cada cultivo,
tanto previamente como durante a semeadura e os tratos culturais, as quantidades de ativos
agrícolas como fertilizantes, agroquímicos, condicionadores de solo, e maturadores, presentes
no solo devem ser recompostas, a fim de que a cultura se sustente em patamares de
produtividade economicamente vantajosos. Os cortes sucessivos reduzem a resposta da
cultura à aplicação desses insumos, até que após cinco (ou, no máximo, seis) eventos, seja
24
necessário proceder a renovação do canavial (CONAB, 2014). A Figura 1 apresenta e
descreve de maneira esquemática dos principais constituintes estruturais da cana-de-açúcar.
Figura 1 – Estrutura geral da cana-de-açúcar
Fonte: Hassuani (2005)
A cana se divide em colmos – região na qual se concentra a maior parte da sacarose –,
pontas, e folhas, chamadas genericamente de palha (ou palhada). Quando a colheita ocorre
pela via manual a palha é em geral queimada a fim de viabilizar o avanço dos cortadores de
cana pelo canavial para realizar a extração da planta (UNICA, 2015).
3.1.2.2 Processamento da cana
As plantas industriais que processam a cana-de-açúcar podem ser classificadas em
dois grandes grupos: usinas e destilarias. As usinas (também chamadas de destilarias anexas)
detêm tecnologia para gerar simultaneamente etanol e açúcar, enquanto as destilarias (ou
destilarias autônomas) produzem apenas álcool. O direcionamento em favor de uma das
opções de produto de uma usina depende principalmente da demanda do mercado. A decisão
será influenciada também por períodos de precipitação (em duração e intensidade) que
ocorrem ao longo do ano agrícola, dado que em épocas mais úmidas a sacarose na cana
apresenta níveis de concentração mais baixos que naqueles de insolação constante. Nesses
25
casos, de seguidos e/ou intensos intervalos de pluviosidade, é preferível potencializar a
produção de etanol.
Em geral, a sacarose total contida na cana é repartida equitativamente entre as
produções de etanol e açúcar; a substituição de um produto por outro pode aportar
rebalanceamentos que variam entre 5,0 e 10% (CORTEZ, 2010). Em uma usina típica, 1.0 t
cana-de-açúcar produz em média 57 kg açúcar, cerca de 51 L etanol anidro, 140 kg bagaço, e
outros 140 kg palha, ambos em base seca (CORTEZ, 2010). No caso das destilarias a
produção de etanol é proporcionalmente mais elevada; algumas dessas unidades têm
capacidade de gerar até 86 L etanol anidro a partir da moagem de 1000 kg de cana (CGEE,
2009).
3.1.2.3 Etanol
Etanol ou álcool etílico são termos usados para designar uma substância orgânica, de
massa molar 46,06 g/mol e fórmula química C2H6O. O álcool empregado nas formulações de
combustíveis, bebidas, produtos de limpeza, tintas, e outros bens de consumo é em geral
obtido por uma rota bioquímica, caso de fermentação do açúcar da cana por
Saccharomycescerevisiae, que é maciçamente praticada no Brasil; ou química, como
hidratação do etileno, ou redução de acetaldeído. Como é de se supor, da primeira rota se
obtém álcool de fonte renovável, enquanto dos outros arranjos de processo derivam produtos
de origem fóssil. Potenciais diferenças entre as aplicações a que se destina o álcool ocorrem
durante a destilação, necessária para usos que depreendem elevado grau de pureza do ativo, e
nos processos de pós-produção (ou acabamento) do produto (CORTEZ, 2010).
Apesar de estar presente em diversos produtos do cotidiano, o etanol é mais utilizado
atualmente no Brasil, como combustível. O caráter de sustentabilidade a ele associado,
quando provindo de cana-de-açúcar em muito deriva do balanço neutro de carbono
estabelecido entre a taxa de captura de gás carbônico (CO2) da atmosfera, e aquela lançada a
partir da queima do combustível em motores (operados segundo ciclo Otto), ou a queima de
biomassa em sistemas de cogeração (cuja variação termodinâmica é regida pelo ciclo
Rankine).
Outro benefício a ele associado reside no Coeficiente Energético (Ce), que é calculado
pela razão entre a quantidade de energia gerada por certa quantidade de etanol e aquela que
26
foi despendidaem termos de ativos fósseis para produção do mesmototal
(HAMMERSCHLAG, 2006). Segundo Macedo et al (2008) o processamento de etanol de
cana-de-açúcar em um sistema que também exporta eletricidade apresenta Ce = 9,6. Smeetset
al (2008) projetaramque no futuro, após o ano 2030, os valores de Ce para cultivos
mecanizado e manual, caso esseúltimo ainda exista, poderiam variam respectivamente entre
13< Ce,Mc< 23, e 14 < Ce,Mn< 23.
O processo de fermentação alcoólica consiste basicamente da adição de leveduras do
tipo Saccharomyces cerevisiae ao caldo da cana, que foi separado da biomassa por
prensagem, sofreu peneiramento para remoção de sólidos suspensos, e foi concentrado, para
remoção de água (e consequentemente, concentração do teor de açúcares).
De acordo com CGEE (2009), o grau de extração dos açúcares durante a moagem
pode variar entre 94 – 98%. A ação dos microrganismos provoca cisão das moléculas de
glicose (C6H12O6) transformando-as em etanol (C2H5OH). Há ainda liberação de CO2 para o
ambiente, o qual pode ser considerado produto complementar da reação por encontrar
mercado junto ao segmento alimentício (CORTEZ, 2010).
O produto principal da fermentação é um substrato açucarado, conhecido como vinho,
que deverá ser centrifugado para recuperação das leveduras antes de seguir para a destilação.
A destilação do vinho é realizada em duas colunas de pratos. Da primeira delas obtém-se
álcool com concentração variando entre 45º – 50º GL (fração em volume), conhecido como
flegma. A outra corrente que emana do processo, a vinhaça, deixa a unidade como efluente
líquido.
Segundo Sousa apud Vianna (2006), os teores elevados de matéria-orgânica e potássio
(K) da vinhaça a credenciam como fonte suplementar de nutrição da lavoura de cana, a ser
aplicada por meio de fertirrigação. No entanto, CGEE (2009) sinaliza que a dosagem de
vinhaça deve ser regulada, a fim de não provocar impactos ambientais negativos no solo,
nascentes e lençóis freáticos.
O flegma é conduzido para a coluna de retificação, a fim de remover água e outros
extrativos que coexistem com o etanol em solução, casos de óleo fúsel e flegmaça. A
operação gera como produto final álcool hidratadoa cerca de 97º GL (SILVA et al,
2014).Como última etapa da fase industrial (que para certos usos seria inclusive
desnecessária), o álcool hidratado sofre desidratação. Assim, o teor de água na solução se
27
reduz de 5%v/v para 0,5%v/v condição que caracteriza o ponto de anidro. Este produto é
conhecido como etanol anidro.
Os resíduos gerados durante a fabricação do etanol são em geral aproveitados, tanto no
próprio processo, como em outros segmentos de transformação. O exemplo mais trivial dessa
prática consiste no reaproveitamento de bagaço para geração de energias elétrica e térmica.
Vinhaça e cinzas, estas últimas, coletada nas caldeiras por sistemas de controle de poluição
atmosférica, retornam para o campo. A decantação do caldo, que ocorre previamente ao seu
aproveitamento na fermentação, gera lodo que, posteriormente, é submetido à filtração a
vácuo.
A fração líquida dessa operação retorna ao processo, ao passo que a fração sólida,
conhecida como torta de filtro,tem mercado constituído como substrato para produção de
ração animal, ou simplesmente retorna para a lavoura para ser aproveitada como adubo.
Como fora descrito anteriormente o CO2 emitido durante a fermentação do caldo pode ser
usado na confecção de bebidas gasosas; já o óleo fúsel é absorvido pelas indústrias químicas,
na qual será usado em ativos para formulação de cosméticos, e de fármacos (CORTEZ,
2010).
3.1.2.4 Sistema de Cogeração a partir da biomassa
Segundo Dantas (2010) a cogeração é a fonte responsável pelo suprimento de energia
térmica e eletromecânica em usinas de cana-de-açúcar. Em linhas gerais, esta consiste de um
processo no qual uma fonte de energia primária alimenta uma máquina ou aparelho térmico
que, por combustão, irá transformar a energia química em mecânica (trabalho de eixo).Esta,
de sua parte, será a seguir convertida em energia elétrica por meio da ação de geradores.
Segundo Moran e Shapiro (2008), cogeração é o método que produzsequencialmente
potência (energia elétrica e/ou mecânica) além de transferir calor (energia térmica, ou vapor
do processo) para certo uso.
A possibilidade da venda do excedente energético impulsionou a busca por melhores
eficiências das unidades de cogeração, potência com ciclo a vapor, cujo fluido de trabalho, a
água (H2O), escoa em estado estacionário, com auxílio de bombas, através da caldeira,
turbina e condensador. Observe-se que nesse arranjo, não há contato entre o fluido de trabalho
e a fonte de calor (PELLEGRINI et al. 2010).
28
Os ciclos termodinâmicos que são responsáveis pela geração de energia tanto elétrica,
como térmica para o processo, são constituídos por caldeira, turbina, condensador, bombas,
desaerador, dessuperaquecedor e purgador. A forma como cada qual desses elementos da
planta de cogeração se interconecta aos demais está descrita de maneira esquemática na
Figura 2.
Figura 2 –Representação de um ciclo Rankine com reaquecimento
Fonte: Adaptado de Guerra (2014)
As unidades geradoras de potência instaladas nas destilarias de etanol operam segundo
o ciclo Rankine. A produção de energia a partir desse arranjo considera por transformações
termodinâmicas os estágios de aquecimento isobárico, expansão adiabática, condensação e
produção de líquido subresfriado.
Em centrais termelétricas é usualrealizar modificações no ciclo Rankine com o
objetivo de aumentar a eficiência térmica da unidade. Uma dessas adequações consiste da
interrupção da expansão do vapor na turbina para adição de mais calor. A esse processo dá-se
o nome de Reaquecimento (MORAN e SHAPIRO, 2008). Outras formas de promover
melhorias de eficiência térmica na planta compreendem (i) o aumento da temperatura média
do fluído introduzido no ciclo, e (ii) a redução da diferença de temperatura entre a fonte
quente e o líquido comprimido que é alimentado na caldeira. Esse processo de aquecimento
gradual do líquido recebe o nome de Regeneração (Guerra et al 2014). Uma última
possibilidade seria o ciclo Resultante, que consiste da coordenação das duas variações, do que
decorre um ciclo do tipo regenerativo com reaquecimento.
29
A eletricidade obtida a partir da queima do bagaço é vista como importante opção para
o planejamento energético nacional, uma vez que esta poderia suprir, ao menos em parte, as
necessidades da população em épocas nas quais as usinas hidrelétricas sejam forçadas a
reduzir sua capacidade de produção. A colheita da cana ocorre em uma época de,
necessariamente, baixa pluviosidade (entre Junho a Novembro), quando os reservatórios
costumam atingir seus níveis mais baixos. Dessa forma, o aproveitamento de energia contida
na biomassaevitaria uma descontinuidade no fornecimento de energia elétrica (SOUSA e
MACEDO, 2010).
Para Sousa e Macedo (2010), outro ponto a favor da geração de eletricidade a partir de
cana reside no fato de a maior parte das usinas estarem localizadas no estado de São Paulo,
uma situação que reduz perdas (e, por conseguinte, custos) de transmissão e distribuição, que
são inerentes ao transporte da energia para principal centro consumidor brasileiro.
Atualmente, a eletricidade é gerada apenas pelo processamento do bagaço; com isso,
um enorme potencial energético contido na palha não é ainda aproveitado. O bagaço obtido
namoagem da cana é enviado para a planta de utilidades, onde será queimado nas caldeiras.
Cerca de 5,0% desse material é armazenado como reserva técnica para partida do
sistema.Segundo Pellegrini (2011), os sistemas de cogeração usados na grande maioria das
usinas brasileirasse compõemde caldeiras,cujo vapor gerado encontra-se superaquecido a 21
bar de pressão, e de turbinas de contrapressão (as quais o vapor de escape está a 2,5 bar).
Aproximadamente 50% do vapor demandado pelo processo expandem nas turbinas de
acionamento das moendas. Estes equipamentos apresentam eficiência isentrópica é inferior a
60% e consumo específico variável entre 14 – 16 kg vapor/kWh. Algumas usinas produzem
vapor apressões mais elevadas (entre 42 e 66 bar), condição da qual decorre, naturalmente,
uma geração excedente de eletricidade, que será comercializada em mercados livres ou
regulados.
Nestes casos, é recomendável o uso que além de turbinas de contrapressão sejam
usadas também turbinas de condensação a fim de se obter-se uma eficiência termodinâmica
mais elevada do ciclo Rankine. Outra alternativa é fazer uso apenas de turbinas de
condensação com extração. Nesse caso, o vapor excedente é enviado para a unidade de
condensação na qual utiliza-se água de resfriamento em grandes quantidades (PELLEGRINI
e OLIVEIRA JR, 2011).
30
Cada tonelada de cana-de-açúcar requer 12 MWh de energia para ser processada. Este
total é facilmente gerado nos sistemas de cogeração instalados nas usinas. O aumento do
preço da energia comercializada pelas agências públicas, que conduziu as usinas à
autossuficiência e à valorização do bagaço tanto para venda, como para outros fins, foi o
agente motivador das indústrias para explorar de maneira mais intensa a comercialização de
excedentes de energia gerada. Tal constatação foi feita por Dantas (2010), mas permanece
válida até hoje. Segundo o mesmo autor, até 2020 a biomassa de cana-de-açúcar tem
capacidade de adicionar até 15 GW de eletricidade ao sistema elétrico brasileiro. Esse aporte
seria equivalente a incorporar uma nova Itaipu ao parque gerador nacional, condição que
apena ratifica a importância do setor como alternativa para o suprimento da (crescente)
demanda de energia do país.
Para cogerar energia nas usinas, caldeiras e turbinas trabalham sequencialmente com
os geradores de energia elétrica. Hoje, quase todas as usinas e destilarias possuem um sistema
de geração de vapor que opera a partir da queima do bagaço e algumas delas já vêm
adicionando a palha à queima devido ao seu grande potencial energético. O bagaço ainda é o
combustível mais utilizado, pois praticamente metade da quantidade da palha permanece nas
lavouras, onde é utilizada como restos vegetais, embora haja a tendência de mudar esse
conceito por questões ambientais (GUERRA, 2014).
Ripoli (2009) estimou em 7 milhões o número de cidadãos brasileiros que poderiam
ser beneficiados a cada ano com energia elétrica proveniente da queima de palha. Em um
estudo considerado como referência no mesmo segmento, Beeharry (2001) concluiu que a
produção de energia poderia ser aumentada em até 50% caso fossem empregadas como
combustíveisno ciclo de cogeração, fontes de biomassa como pontas, folhas secas e folhas
verdes.
Tradicionalmente as destilarias de etanol consomem 28kWh de eletricidade e 500 kg
de vapor para cada tonelada de cana processada (CGEE, 2008; MILANEZ et al, 2014). As
tecnologias para cogeração tornaram-se mais eficiente com a utilização de caldeiras de alta
pressão. Hoje em dia são utilizadas instalações capazes de produzir vapor superaquecido a
105 bar de pressão e 300-525ºC de temperatura, dependendo da necessidade de energia
excedente.
31
Sistemas de cogeração que operam a 105 bar e 525ºC têm potencial para produzir até
158 kWh/tcde energia excedente, reduzindo a demanda de vapor para 280 kg /tc e utilizando,
além da totalidadedo bagaço disponível, também de 50% da palha produzidano campo(ou
seja, 140 kg/tc). O potencial de produção de bioeletricidade de cada planta irá dependertanto
do tipo, comoda configuração de operação (temperatura e pressão) dos sistemas de cogeração
(KHATIWADAet al, 2012).
Prabhakar et al (2010) relatam a realização de ensaios para análise de eficiência de
sistemas de cogeração que se valem exclusivamente da palha como combustível. O autor
constata ter havido um acréscimo de 9,0 MW no fornecimento de energia de unidades que
operam a 43 bar (abs), e de até 20 MW para sistema cuja pressão de operação foi elevada até
87 bar (abs). O consumo de vapor de processo em ambos os casos foi reduzido para 350 kg
/tc.
O sistema de cogeração é responsável por quase 65% da exergia total destruída na
usina, a qual é da ordem de 460 kWh/tc. Segundo Pellegrini (2011), a caldeira é a principal
fonte desse efeito, com uma contribuição de 97%. Guerra (2014) sustenta que as turbinas
mais modernas usadas nas usinas brasileiras podem alcançar 88% de eficiência isentrópica,
quando o vapor emanado da caldeira encontra-se a 520°C e 120 bar. Para Pellegrini (2011),
excesso de palha utilizado em geral nesses casos impõe grandes perdas exergéticas à etapa de
moagem.
Olivério (2010) aponta que a introdução de 50% de palha (para uma moagem de 500
t/h de cana) no sistema de cogeraçãoresulta em uma produção excedente de energia de até 84
MW. Para uma situação hipotética em que fosse utilizada 100% de palha, o excedente
projetado seria de 112 MW. No entanto, o mesmo autor alerta para o risco de exposição da
integridade física do sistema, proporcionado por incrustação por acumulo de sílica, ou
corrosão, dada a presença de cloretos, em situação em que a adição de palha supere 50% da
quantidade gerada no campo.
Seabra (2011) e Dias et al (2011) estimam que quando 40 – 50% da palha disponível
no campo é utilizada como combustível adicional ao bagaço, o saldo total de energia elétrica
a partir da queima da cananas usinas pode variar de 468 – 670 MJ/tc, (ou de 130 – 186
kWh/tc).
32
3.1.2.5 Palha da cana-de-açúcar e seu aproveitamento como combustível
As atividades de colheita, limpeza e transporte da cana-de-açúcar geram expressivas
quantidades de restos vegetais, que como consequência do método de colheita (em especial,
da colheita manual) são queimados na própria lavoura. Esse quadro trouxe implicações
bastante negativas para o setor, sobretudo quando os desempenhos ambientais das produções
de açúcar e álcool passaram a ser questionados. Como reação a essa posição desfavorável foi
criado o Protocolo Agroambiental do Setor Sucroalcooleiro.
O protocolo, firmado em meados de 2007, entre a ÚNICA – neste ato representando a
indústria paulista produtora de açúcar, etanol e bioeletricidade – e o Governo do Estado de
São Paulo antecipa os prazos legais para encerramento da colheita da cana-de-açúcar com
queimada (UNICA, 2015). A Figura 3 compara, em termos temporais, a evolução desse
processo quando o mesmo é gerido sob as bases do Protocolo Agroambiental, com aquela que
fora originalmente estabelecida na Lei Estadual 11.241 – 2002, promulgada com o intuito de
atender aos mesmos propósitos.
Abandonando a prática das queimadas pré-colheita, parte da palha deixada sobre o
terreno em decorrência da colheita mecanizada poderia ser usada como fonte de energia em
sistemas de cogeração. O restante permanece como matéria vegetal remanescente no solo
com os intuitos de repor nutrientes e dar proteção à planta e ao solo de efeitos naturais
adversos como erosão, desgaste, compactação e assoreamento.
Como mencionado anteriormente, cada tonelada de cana gera 140 kg de palha em base
seca. Hassuani (2005) e Cortez (2010) advertem para a importância de que ao menos metade
desse material seja deixado no campo pelos motivos apontados no parágrafo anterior.
Diversas alternativas de recolhimento da palha já foram investigadas. Entre aquelas mais
bem aceitas estão a colheita integral da cana-de-açúcar, o fardo cilíndrico, o picado a granel, e
o fardo prismático. Para Guerra (2014), o método que apresenta menores custos específicos é
o recolhimento da palha por meio de enfardamento.
33
Figura 3 – Prazo para eliminação da queima da palha no estado de São Paulo
Fonte: UNICA (2015)
Existe pouca informação sobre a operação de caldeiras que utilizam a palha da cana,
bem como, de problemas e de ações mitigatórias que fossem relacionadas a tal
aproveitamento. De qualquer forma, sabe-se que elevados teores de terra incorporada à palha
podemoriginar depósitos sobre as superfícies dos trocadores de calor da caldeira
comprometendo seriamente sua operação (CGEE, 2009). Outro problema já diagnosticado
refere-se às elevadas quantidades de óxidos presentes na palha em comparação ao bagaço. Por
conta disso, o uso da palha pode expor o funcionamento dos equipamentos que tenham
contato direto com esse material. A caldeira aparece novamente como foco mais crítico desse
distúrbio. Por se tratar de um vaso de pressão esta pode sofrer com deposição de cinzas em
seu interior dependendo das temperaturas interna da instalação, e de fusão do material (CTC,
2014).
De acordo com dados do CGEE (2009), experimentos conduzidos em usinas
brasileiras mostraram baixa efetividade em termos de geração de energia, quando quantidades
superiores a 25%w/w do total de palha gerada no campo foram adicionadas ao bagaço. No
entanto, Sartori (2007) e um registro anterior do próprio CGEE (2008) defendem que o uso de
palha em vasos de pressão pode chegar até a 50% w/w da capacidade produção na etapa
agrícola sem que haja risco de comprometer a integridade física de seus elementos internos da
34
caldeira e de outras unidades e equipamentos que compõem o ciclo Rankine. Guerra (2014) e
Milanez et al (2014) recomendam que a palha seja cominuída previamente ao uso na
cogeração.
Com relação a emissões atmosféricas existe consenso entre os especialistas de que a
utilização de biomassa leva a baixas emissões líquidas de carbono, na forma de CO2, o qual
seria inclusive desconsiderado a partir da adoção do conceito de carbono neutro (EVANS et
al, 2010). O conceito de carbono neutro está diretamente ligado ao ciclo de carbono na
atmosfera. Trata-se do produto (ou processo) cujo balanço de emissões é nulo (ou mesmo,
negativo) em que os lançamentos para o ar que derivam de carbono e ocorram na forma de
CO2 dito, biogênico, foram, portanto, integralmente compensados. Esta neutralização se dá
por meio do plantio da cana (que durante o crescimento captura CO2 do ar para incorporar o
carbono à sua estrutura). Outros Gases de Efeito Estufa (GEE) como o metano (CH4) e o
óxido de dinitrogênio (N2O), são lançados no ambiente em quantidades menores – de 2,0% ou
menos do total de emissões do sistema (EVANS et al, 2010).
Com relação às emissões a partir do solo, a abordagem mais usual volta a ser de
carbono neutro. Nesse caso, as emissões de CO2 do solo não são contabilizadas para efeito de
inventário de emissão de GEE na agricultura, uma vez que este gás é proveniente da
respiração das raízes das plantas e de atividade microbiana de decomposição, condição que
caracteriza a circulação de carbono no ambiente (EVANS et al, 2010). Signor (2014) adverte
para o fato do balanço de carbono ser elaborado considerando-se variações nos estoques desse
elemento no solo ao longo do tempo, independentemente das condições de manejo a que a
colheita esteja submetida.
3.1.2.6 Valor energético
Olivério (2010) relata que energia contida na cana não foi integralmente explorada até
2003. À época as usinas brasileiras atinham-se apenas a extração do valor energético contido
no caldo de cana e negligenciando o potencial que está intrínseco à biomassa (bagaço e
palha).
Ao restringir-se ao suco, apenas a terça parte da energia contida na cana é utilizada de
forma eficiente. O autor afirma ainda que a energia associada ao bagaço era subutilizada pelo
fato de a eficiência dos sistemas de cogeração disponíveis no período ser inferior ao patamar
35
de 50%.Em relação à palha, este potencialera completamente desperdiçado pelo fato da tônica
ser de queimada no campo pré-colheita.
Somando-se as três componentes energéticas contida em 1,0 t de cana será possível
obter-se um potencial correspondente a 1,2 de barris de óleo cru. Mantida essa relação, um
hectare de cana cultivada pode gerar de 95 a 114 barris desse recurso fóssil. Ao expressar em
termos energéticos a produção nacional de cana-de-açúcar de 2010, Olivério obteve 1,17Ecal
(Exa calorias) disponíveis. Este total representa 80% da energia fóssil consumida na
Alemanha, ou 42% da demanda do Japão. Destaque-se por fim que em níveis normais de
umidade – de 50%w/w para o bagaço, e 15%w/w para palha – os conteúdos energéticos dessas
biomassas atingem respectivamente 7.560 e 12.960 kJ/kg (CTC,2014).
3.1.3 Impactos ambientais gerados pelo cultivo de cana
A agroindústria da cana-de-açúcar pode causar diversos impactos sobre o meio ambiente.
Segundo Mota (2009), dentre os principais desdobramentos adversos derivados dessa prática
é possível citar:
• Redução da biodiversidadedevido ao desmatamento e a implantação da monocultura;
• Expansão da fronteira agrícola sobre áreas de floresta nativa;
• Contaminação do solo, águas superficiais e subterrâneas por efluentes, devido à
adoção de prática de adubação química, fertirrigação com vinhaça, aplicação de
agroquímicos e dosagem de maturadores e corretivos de solo de origem mineral;
• Compactação e desgaste do solo em virtudedo tráfego de máquinas pesadas durante o
plantio, tratos culturais e principalmente, da colheita;
• Assoreamento de corpos d’água em função da erosão do solo, e adoção de práticas de
desflorestamento (muitas vezes ilegais) sobrematas ciliares;
• Alteração da qualidade do ar e do microclima local por conta de queimadas;
• Emissão de fuligem e GEE em decorrência da queima de palha no campo antes e
durante a colheita;
• Danos à flora e fauna causados, sobretudo, pela perda de habitats naturais originada
também por conta daqueimada de palha sem controle; e,
36
• Aumento de poluição atmosférica a partir do consumo de dieselem máquinas agrícolas
por ocasião de operações de semeadura e plantio, tratos culturais, e transporte de cana,
bem como, na colheita, quando esta ocorre com auxílio de mecanização.
3.2 Avaliação do Ciclo de Vida (ACV): conceito, aplicações e método
Embora as primeiras ideias de análise de ciclos de vida de produtos remontarem ao
século XIX, elas apenasse consolidaram no século XX. A metodologia de ACV foi então
elaborada, tendo como base diversas aplicações em países ao redor do mundo. A Society of
Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC), por intermédio de organizações “irmãs”
nos Estados Unidos e na Europa, desempenhou papel fundamental no desenvolvimento e na
padronização da metodologia da ACV mediante a agregação de praticantes e usuários
(WEIDEMA, 1997).
De acordo com Rojas (2012), “a Avaliação de Ciclo de Vida (ACV) é uma ferramenta
analítica usada para estimar, avaliar e interpretar impactos ambientais atribuíveis ao ciclo de
vida de um produto. ACV é uma técnica da área de ecologia industrial padronizada pela
Organização Internacional para Normalização (ISO) nas séries da norma ISO 14040, que se
propõe a dar sustentação a decisões nos segmentos de políticas públicas, design de produtos,
compras, melhorias nos processos produtivos e projetos sempre dentro de uma perspectiva
ambiental”.
Segundo Caldeira-Pires et al (2002) a norma ISO 14040 define ACV como compilação
dos fluxos de entradas e saídas e avaliação dos impactos associados a um produto ao longo do
seu ciclo de vida. A mesma diretriz interpretao termo ‘ciclo de vida’ como estados
consecutivos e interligados de um produto, desde a extração de matérias-primas ou
transformação de recursos naturais, até a deposição final do produto na natureza.
A ACV é um método estruturado, abrangente e padronizado internacionalmente.
Quantifica emissões pertinentes e recursos consumidos, bem como, estimaa magnitudede
impactos ambientais e sobre a saúde, relacionados com questões de recursos e de esgotamento
que estão associados a quaisquer bens ou serviços (VILELA et al, 2013).
A ACV do produto completo desde a extração de recursos, produção, uso e reciclagem,
até a eliminação dos resíduos está ilustrada pela Figura 4. Os estudos de ACV podem indicar
37
incongruências e contrassensos ocorridos durante a tentativa de se tentar resolver um
problema ambiental. Não é incomum que uma ação nesse sentido origine acréscimo em
outros impactos ambientais.
Figura 4 – Representação esquemática genérica do ciclo de vida de um produto
Fonte: IBICT (2014)
Conforme definição da “United States Environmental Protection Agency” (EPA), “a
Avaliação de Ciclo de Vida (ACV) emprega uma abordagem holística para investigar
sistemas industriais ao longo de toda sua vida útil. O objetivo dessa ação éconhecer as
consequências ambientais associadas a um produto, processo ou atividade, desde a sua
criação (extração de matéria-prima), até a disposição final”.
As possibilidades de aumentar a consciência coletiva da importância de proteger o
ambiente, e identificar os potenciais impactos associados a um produto (fabricado e
consumido) reforçou o interesse no desenvolvimento de métodos para melhor compreender e
conter esses impactos ao longo do seu ciclo vida (UNEP/SETAC, 2011). Um estudo de ACV
proporciona uma visualização abrangente dos fluxos de matéria e energia que circulam do
ambiente para o ciclo de vida e vice-versa fornecendo uma base holística e objetiva de
comparação entre alternativas que cumpram (ou atendam) a mesma função (ou necessidade).
38
ACV analisa sequências de transformações antrópicas que se encontram
interconectados por correntes materiais e energéticas (VILELA et al, 2013). Os resultados de
um estudo dessa natureza compreendem um diagnóstico quantitativo dos impactos ambientais
potenciais do sistema em análise (MALÇA e FREIRE, 2006).
A ACV se presta a (i) identificar oportunidades de melhoriado desempenho ambiental
dos produtos em vários pontos do seu ciclo de vida; (ii) informar e subsidiar os tomadores de
decisões de organizações governamentais, indústria ou não governamentais; (iii) selecionar
indicadores relevantes de desempenho ambiental, incluindo técnicas de medição; (iv) fazer
marketing ambiental consistente, consciente e proativo (UNEP/SETAC, 2011). Diante dessa
gama de possibilidades de aplicação pode-se entender a ACV como uma abordagem essencial
para melhoria de eficiência dos recursos, que permite que as empresas e stakeholders possam
identificar "pontos fracos" ao longo da cadeia de suprimentos, bem como os riscos potenciais
e as oportunidades de melhorias (LUO et al, 2009).
Weidema (1997) e Curran (2012) apresentam conceitos e definições de uso
regularpela ACV que têm importância determinante para compreensão da técnica. São eles:
• Ambiente: meio que envolve as operações da organização (empresa, atividade)
analisada;
• Impacto ambiental: qualquer mudança no ambiente adversa ou benéfica, resultado
de atividades ou produtos da organização;
• Intervenções: são corrente de entrada (na forma de recursos), e saída (emissões para
o ar, água e solo) que serão, respectivamente, consumidas e produzidas pelo mesmo
sistema, alémde relações ambientais não diretamente ligadasàs mesmas entradas e
saídas, casos de (i) uso do solo, (iii) impactos físicos,(iv) aspectos relacionados a
saúde ocupacional e bem-estar de trabalhadores,(v) preservação (também com viés
de manutenção do bem-estar) de animais domésticos em atividades agropecuárias,
entre outros;
• Produto: é um bem físico ou serviço não-material que cumpre uma ou mais funções
definidas;
39
• Sistema de produto: conjunto de processos elementares, serviços e demais
atividades antrópicas que ao serem conectados perfazem o ciclo de vida de um, ou
mais, bens de consumo e/ou produção.
• Processo elementar: em um sistema de produto, o processo elementar é considerado
o menor nível de arranjo antrópico sobre o qual será possível efetuar coleta de
dados com vistas a quantificar consumos e gerações associadas a um certo ciclo de
vida.
Curran (2012) agrupa as aplicações de ACV em quatro áreas:
a) Análises não comparativas de produtos já existentes: são relevantes para produzir
relatórios ambientais de produtos, com o objetivo de melhorar o nível de
informação dos consumidores, ou para pesquisa que vise identificar áreas
ambientalmente mais críticas do ciclo de vida de um produto. Essas análises são
baseadas em ambientes específicos (empresas ou localidades) ou em informações
médias regulares.
b) Análises comparativas de produtos existentes: visam a influenciar os atores
envolvidos com um produto (fornecedores, produtores ou consumidores). Uma
avaliação de produtos similares produzidos por diferentes fornecedores pode
revelar que alguns deles podem ser superiores do ponto de vista ambiental. Uma
empresa pode comparar seus próprios produtos com os de seus concorrentes. A
comparação pode ser usada também como estratégia de marketing ou para
rotulagem ambiental.
c) Análises comparativas de produtos potenciais (desenvolvimento de produtos):
nesse caso, a tarefa é como identificar melhorias no produto, tais como, a
substituição de ingredientes, a aplicação de diferentes tecnologias no processo de
produção, a redução dos resíduos na fase de distribuição, entre outras.
d) Análises estratégicas de produtos em relação a gestão ambiental: tipicamente
comparam diferentes tipos de produtos a fim de obter um quadro de como eles
funcionarão na perspectiva de um objetivo ambiental de longo prazo. Isso pode ser
usado para determinar as prioridades de longo prazo de uma empresa do ponto de
40
vista ambiental, agrupar as diretrizes gerais de desenvolvimento de produtos ou
pensar ajustes de longo prazo no alcance do produto.
Os itens “a” e “b” são classificados como aplicações táticas. O item “c” é uma
aplicação prospectiva, e o item “d” é exemplo de aplicação estratégica. Cada classe de
aplicações exige que a informação tenha níveis próprios de aprofundamento, exatidão,
agregação e incerteza. Dessa forma é essencial estar atento para o planejamento da aplicação
da ACV antes de realizá-la (WEIDEMA, 1997).
Conforme indicado na norma ABNT NBR ISO 14040 (ABNT, 2009a) a condução da
ACV leva em conta as etapas de definição de objetivos, definição de escopo, análise de
inventário, avaliação de impacto e interpretação. A Figura 5 apresenta as referidas etapas,
além de mostrar a forma como essas se interconectam durante a aplicação da técnica.
Figura 5 – Etapas de ACV: diretrizes definidas pela norma ABNT NBR ISO 14040
Fonte: adaptado de ABNT NBR ISO 14040 (ABNT, 2009a).
O arcabouço estrutural da técnica de ACV pode ser repetido mais de uma vez ao longo
de um estudoaté que as incertezas a ele associadas são eliminadas, ou se reduzam a níveis
compatíveis com os objetivos a que se presta a iniciativa. Cada uma das fases constituintes da
técnica passa a ser descrita a seguir de maneira sucinta, mas com grau de aprofundamento
suficiente para subsidiar as discussões empreendidas mais adiante nesse estudo.
41
3.2.1 Definição do objetivo e escopo do estudo deACV
É a fase de planejamento da ACV. Nela são determinados os objetivos, o público-
alvo (interessados), os recursos necessários e os participantes do estudo. A definição do
escopo envolve a descrição do produto a ser pesquisado e de possíveis produtos alternativos.
Outras atividades que ocorrem nessa fase são (i) delimitação da pesquisa (base de referência
para a análise, ou seja, sua unidade funcional; o sistema de produto e seus processos
elementares; procedência e características geográfica, temporal, tecnológica dos dados; nível
de detalhe da análise, etc.); (ii) escolha das categorias e dos parâmetros ambientais que serão
analisados; (iii) definição da estratégia de coleta de informação; (iv) forma de tratamento de
situações em que ocorram multifuncionalidades. Essas definições são fundamentais para que
os resultados da ACV possam ser utilizados (JRC, 2010).
A primeira tarefa a realizar no planejamento de uma ACV é determinar o objetivo do
estudo, em função das diversas aplicações possíveis. Uma ACV executada, por exemplo,
com o intuito de situar o produto em relação a um determinado padrão ambiental pode não
ter umâmbito adequadamente amplo para ser utilizado no desenvolvimento de um novo
produto. Uma análise pode ser produzida para determinado local ou situação (país ou
continente), ou ter uma perspectiva mundial. Análises podem ser conduzidas com vistas a
subsidiar decisões cotidianas (tais como troca de fornecedores); ou podem sustentar decisões
mais amplas (como a compra de um equipamento, ou uma mudança de legislação). A
tendência é que horizonte de tempo do estudo seja maior para situações em que o
diagnóstico da ACV sirva a propósitos táticos e estratégicos.
A Definição do Escopo consiste de estabelecer os limites e a abrangência do estudo.
O escopo determina para quais produtos e processos elementares deverá se coletar dados,
bem como a localização geográfica e o nível tecnológico desses processos. Deve-se também
decidir como fixar os limites do sistema de produto em análise com outros sistemas
antrópicos, e com o meio ambiente. A definição do escopo compreende ainda escolher
parâmetros ambientais e os métodos para determinação e interpretação dos impactos
(MARTINHO, 2014).
Sugawara (2012) reforça que o escopo de uma ACV tem como resultado a definição
da estratégia para coleta de informação e a lista de informações essenciais para o estudo.
Adicionalmente, este pode determinar se haveránecessidade de uma avaliação verificação de
42
conteúdo do estudo por parte independente (‘peer review’) e, em caso afirmativo, como
ocorre essa ação e quem a realizará. Finalmente, a definição de escopo deve também
descrever o tipo e o formato do relatório a ser produzido.
O produto pode ser descrito tanto como um produto físico (por exemplo, uma
máquina de lavar), um processo (produção da lavadora), ou um serviço (serviço de
lavanderia). É importante especificar o graude qualidade (ou detalhamento) mínima que o
objeto de estudodeve ter já que essas especificações trazem associadas demandas para os
processos e materiais utilizados no ciclo do produto, os quais se desdobram
inexoravelmenteem impacto ambiental (SILVA e KULAY, 2006).
O produto deve ser definido não apenas por suas características intrínsecas e
funcionais, e pela qualidade inerente, mas tambémem função do uso (ou atendimento da
necessidade) a que se destina ou que seja verificada pela ACV. A essa aplicação dá-se o
nome de ‘Função’ e sua a quantificação denomina-se “Unidade Funcional (UF)”. Em
estudos nos quais haja interesse em comparar os desempenhos ambientais de distintos
produtos, o praticante deve se certificar que todos estes cumpram de fato a mesma função,
independentemente do grau de eficiência com que isso ocorra.
Em geral, um processo elementar gera frequentemente mais do que um único
produto. Essa situação caracteriza uma multifuncionalidade. Nesses casos, não é razoável
considerar o produto em estudo como único responsável por todas as intervenções
ambientais de um processo, e dos estágiosque o precedem no ciclo de vida. Portanto, é
necessário decidir como essas intervenções ambientais serão distribuídas entre os diferentes
subprodutos doprocesso. Uma das alternativas mais usuais é a aplicação do procedimento de
alocação (JRC, 2010).A alocação consiste em repartir as cargas ambientais entre produtos
que caracterizama situação de multifuncionalidade a partir de um critério. Este, pode ser de
duas naturezas: (i) físico, como quantidades de massa ou volume, total de energia associada,
teor de um componente, entre outros; e (ii) econômico, que será definido em função do preço
de mercado, ou mesmo, dos custos de produção de cada produto (JRC, 2010).
Outra possibilidade seria a expansão de fronteiras. Nesse caso, as cargas ambientais
da geração dos coprodutos do processo elementar são atribuídas ao produto em estudo. No
entanto, as cargas ambientais relacionadas à supressão de bens que sejam substituídos pelos
coprodutos do mesmo sistema quando estes atuam em outros sistemas de produto devem ser
43
igualmente debitadas. A estas se denominam genericamente de cargas evitadas (JRC, 2010).
A delimitação final a ser produzida antes da coleta da informação refere-se à
definição de quais parâmetros ambientais ou categorias de informação o estudo irá envolver.
Em princípio, não há objeção formal a que uma ACV se concentre em apenas certa
substância (CO2, por exemplo), ou mesmo um tema ou categoria de impacto (Mudança
Climática). Inclusive, na busca por simplificação, muitos pesquisadores e praticantes têm
defendido a limitação dos parâmetros ambientais pesquisados nos estudos de ACV. No
entantohá também uma corrente contrária a essa simplificação, que postula a introdução de
grande número de parâmetros com o intuito de habilitar a ACV a manejar a complexidade
plena do debate em voga debate sobre meioambiente (MARTINHO, 2014).
Os parâmetros ambientais que serão incluídos no estudo dependerão do seu peso final
na fase de determinação dos impactos ambientais. Para isso, é útil que se realize uma análise
de custo/benefício, em termos de factibilidadeda coleta de informações, e benefícios que um
eventual aprofundamento desta pode proporcionar em termos de precisão dos resultados. A
estratégia de coleta de informação auxilia na estruturação da fase de inventário, de forma que
não se deve coletar um dado a menos que se conheça sua importância. Ela deve descrever
também a qualidade dos dados. A qualidade da informação necessária pode variar em função
das diferentes partes do ciclo de vida do produto, ou seja, aquelas que têm grande influência
no resultado final, necessitam de informação mais precisas que as outras etapas do sistema
de produto, que por ventura exerçam menor influência (SUGAWARA, 2012).
3.2.2 Análise de Inventário
Na Análise de Inventário, os dados representativos de aspectos ambientais, ou seja,
correntes materiais e energéticasque cruzam as fronteiras entre o sistema de produto e o meio
ambiente são coletados. É usual que sejam quantificados também (i) bens de consumo e seus
eventuais subprodutos, (ii) fluxos intermediários (que interligam dois processos elementares
em análise), e (iii) fluxos de produto (que são utilizados no processo em análise, mas advêm
outros processos antrópicos Os dados utilizados podem ser obtidos em campo (dados
primários) ou na de literatura (dados secundários). Dados quantitativos utilizados para
comparação de materiais ou processos, bem como, aqueles de ordem qualitativa, que se
prestamà descrição de aspectos ambientais ou estágios de ciclo que vida que não podem ser
quantificados, podem ser selecionados a partir da aplicação dos critérios de exclusão de
44
dados. Tais critérios permitem identificar aspectos ambientais a serem considerados em cada
processo elementar; ou seja, no menor nível de um sistema de produto para o qual é possível
quantificar correntes de matéria e energia de entrada e saída (ABNT, 2009b).
A coleta de dados gera um conjunto de informações que estão na forma bruta. Estes
devem então ser tratados para compor o Inventário de Ciclo de Vida (ICV), cabendo então ao
executor da ACV (i) verificar se os requisitos de qualidade de dados foram de fato atendidos,
(ii) aplicar balanços de matéria e energia com o intuito de aferir (e validar) a consistência dos
parâmetros coletados, (iii) correlacionar tais valores à UF, e (iv) decidir e aplicar
procedimentos que permitam lidar adequadamente com situações de multifuncionalidade.
Todo este conjunto de ações, iniciativas, e procedimento é conhecido no âmbito da técnica
como Tratamento dos Dados (SILVA e KULAY, 2006).
Como já fora comentado anteriormente na descrição das ações de Definição de
Escopo, as situações de multifuncionalidade devem ter um encaminhamento durante a
elaboração de uma ACV. Isso ocorre exatamente no transcurso da Análise de Inventário.
Muito embora seja um procedimento de uso recorrente para abordagens de processos
multifuncionais, a alocação é uma questão controversa. Por conta disso, recomenda-seque,
sempre que possível, a alocação seja evitada. Para tanto há dois caminhos: (i) a subdivisão do
processo até níveis em que seja possível separar perfeitamente consumos e emissões
associados a cada coproduto; ou (ii) expandindo os limites do sistema de maneira a incluir as
funções adicionais a ele relacionadas; ou seja, expansão de fronteiras (VAN DER VOET,
2009; MUNIZ, 2012).
3.2.3 Avaliação dos impactos ambientais
A Avaliação de Impactos Ambientais do Ciclo de Vida (AICV) analisa as magnitudes
e significâncias dos efeitos potenciais causados pelo ciclo de vida do produto sobre o meio
ambiente e sobre o ser humano, no âmbito do atendimento da função (MARTINHO, 2014).
De acordo com a norma ABNT NBR ISO 14044 (ABNT, 2009b), a etapa de AICV é
composta por elementos obrigatórios e opcionais. São elementos obrigatórios: a (i) Seleção de
categorias de impactos e de seus respectivos indicadores; a (ii) Classificação; a (iii)
Caracterização; e, (iv) a Definição do Perfil de Impacto Ambiental.
45
A Seleção das Categorias de Impacto Ambiental baseia-se nos resultados do ICV, em
particular, nos aspectos ambientais de maior relevância para o estudo. De qualquer forma, são
categorias de impactos de uso mais frequentes em estudo desta natureza: Mudança Climática;
Depleção da Camada de Ozônio; Acidificação; Depleção de Recursos Abióticos;
Eutrofização, Formação de Foto-oxidantes, Depleção de Recursos Hídricos, de Metais, e de
ativos de origem Fóssil, Transformação e Ocupação do Solo, e Toxicidades Humana e do
ambiente.
As categorias de impacto devem ser correlacionadas com resultados gerados pelo ICV.
Esta ação ocorre em dois momentos; o primeiro deles é essencialmente qualitativo e se dá sob
a forma de procedimento de Classificação. No segundo momentoocorre uma interação de
ordem quantitativa, Caracterização (SILVA e KULAY, 2006).
A norma ABNT NBR ISO 14044 (2009b) especifica como sendo elementos opcionais
os procedimentos de Normalização e Ponderação. A Normalização compreende a conversão
dos resultados gerados pela Caracterização para uma base única de referência. O
procedimento de Normalização está condicionado à disponibilidade de fatores confiáveis, que
reflitam (ou se aproximem em termos de rigor e consistência) das condições gerais em que
ocorre a avaliação.
A Ponderação trata de atribuir pesos às diferentes categorias de impacto, com base na
percepção de profissionais que estejam direta ou indiretamente ligados à análise em
realização (SILVA, 2012). Da aplicação deste procedimento decorre a formulação do
chamado Indicador Único de desempenho ambiental do produto, ou serviço em análise.
Dadas suas características, tanto a Normalização como a Ponderação são tratadas como
elementos opcionais de AICV por conta da subjetividade que lhe é inerente (SUGAWARA,
2012).
3.2.4 Interpretação dos resultados
A última das etapas da ACV é conhecida como Interpretação. Em linhas gerais esta
ação compreende uma verificação dos resultados obtidos pelo estudo com vistas ao
estabelecimento de recomendações e conclusões. A interpretação é uma análise crítica, que
tem como objetivo combinar, resumir e discutir constatações que tenham ocorrido durante
arealização da Análise de Inventário e a Avaliação de Impactos.
46
Segundo Martinho (2014) é fundamental para o sucesso da Interpretação que todas as
percepções e leituras, assim como, as decisões e condutas, que ocorreram durante as etapas
executivas da ACV sejam confrontadas (inclusive de maneira iterativa, se necessário for) com
os objetivos e itens de escopo definidos como alicerces para o estudo.
As conclusões e recomendações geradas por qualquer estudo de ACV devem refletir
objetivamente os resultados de suas três fases executivas (Análise de inventário, Avaliação de
impacto e Interpretação). Para tanto estes não podem estar baseadas em interpretações
pessoais, uma vez que estas poderiam influenciar futuros processos de tomadas de decisão
para os quais, imagina-se, o diagnóstico gerado pela ACV venha fornecer subsídios
(SUGAWARA, 2012).
3.2.5 Estudos ACV voltados à cogeração de eletricidade
AACV tem sido amplamente empregada para avaliaçãode impactos ambientais que
decorrem de processamentos industriais. Ainda que com menor incidência do que para outras
ações produtivas a técnica foi também aplicada para análise de unidades e sistema de
cogeração de energia elétricaque se valessem de biomassa de cana-de-açúcar como fonte de
energia para seu funcionamento (GAUDREAULT et al., 2010).
Silva et al (2014) identificaram que para a condição brasileira, os principais
impactospotenciais dessa classe de geração de energia elétrica se dãocomo Oxidação
fotoquímica e Toxicidade Humana, e se originam principalmente da queima de palha, e
aplicação de produtos químicos. Os autores afirmam ainda que o uso de recursos renováveis e
não-renováveis, e o consumo de energia são questões igualmente importantes no âmbito da
matéria ambiental.
Guerra et al (2014) observaram que a melhoria do rendimento energético do sistema
de cogeração é acompanhada pela redução nos impactos ambientais em muitas categorias.
Nesse contexto, um cenário de produção de vapor a 100 bar e 520°C proporciona ganhos
ambientais mais expressivos, tanto em termos absolutos quanto relativos, quando comparado
a um cenário homólogo em termos de adição de biomassa, mas que se desenvolve a 20 bar e
350°C.
Os resultados de uma ACV realizada por Gil et al (2013) em sistema de cogeração de
uma indústria de açúcar em Cuba mostraram que a redução das emissões para o ar, a água e o
47
solo tiveram um efeito favorável sobre as categorias de Carcinogênese, Radiação ionizante e
não-ionizante, Ecotoxicidade e Uso do solo. Impactos que se manifestam sob a forma de
danos à saúde humana atingiram patamares elevados na fase de cogeração, que representou
cerca de 80% dos efeitos adversos associados ao processo. As maiores contribuições para esta
categoria estiveram associadas à lançamentos para o ar de material particulado proveniente da
queima do bagaço.
Para Kiatkittipong et al (2009), o principal benefício da queima da biomassa reside na
capacidade de a biomassa substituir combustíveis fósseis em sistema de incineração.Para os
impactos ambientais analisados noestudo (Aquecimento Global, Acidificação e Eutrofização)
a queima de bagaço é mais benéfica ao ambiente do que as usina termelétricas. A exceção
ficou por conta da Formação de oxidantes fotoquímicos para a qual este diagnóstico se
inverte.
O uso da palha na cogeração não é ainda uma unanimidade em termos ambientais. Por
isso muitos pesquisadores têmdedicado esforços ao tema. Cardoso et al (2013) realizaram
uma avaliação técnica e econômica sobre a recuperação da palha da cana para produção de
bioenergia, concluindo que o uso de biomassa enfardada apresenta maior custo por unidade
de massa em comparação ao sistema em que a palha seja colhida e transportada junto com
colmos da cana.
Vilela (2013) constatou que o aumento na capacidade de moagem, e de uso de palha
na cogeração, elevam as emissões de CO2. Para o autor o fenômenose relacionaà
intensificação da queima de biomassa na caldeira. Em contrapartida, este assina-laque um
consumo maior de biomassa irá também elevar a quantidade de energia vendida. Quando a
ACV foi aplicada segundo o conceito de expansão de fronteiras para tratamento de
multifuncionalidades, Vilela observou que os impactos proporcionados pelo sistema quanto a
Mudança Climática tornaram-se negativos. O autor reputa esse resultadoao fato de fontes
marginais de provimento de energia elétrica que compõem a o grid brasileiro terem sido
evitadas.
Ensinas et al (2008) estudaram a redução da demanda de vapor no processo de
produção de açúcar e etanol, e alternativas de sistemas de cogeração em usinas, com objetivo
de aumentar a capacidade de geração de eletricidade. Os autores concluíram que a demanda
de vapor nos processos investigados pode ser reduzida via integração térmica. Na análise
48
comparativa entre alternativas de cogeração, a configuração do tipo BIG-CC (Biomass
Integrated Gaseification Combined Cycle) apresentou o maior potencial de geração de
eletricidade. A partir do momento em que barreiras técnico-econômicas sejam efetivamente
superadas e o BIG-CC se viabilize, este arranjo poderia proporcionar um aumento de 70% na
geração líquida de eletricidade.
Desse encadeamento de ideias resulta uma constatação importante: além da
eletricidade em si, a cogeração de biomassa é capaz de proporcionar ao setor sucroalcooleiro
nacional mais um subproduto. Nesse contexto, sempre que realizado dentro de limites
técnicos adequados, o aproveitamento de palha, passa a ser condição necessária para atrair
investimentos que resultem em modernizaçãoe/ou ampliação do sistema.
49
4 MÉTODO DE TRABALHO
A fim de atender de maneira satisfatória aos objetivos a que se propôs originalmente,
este estudo foi estruturado na forma das seguintes ações operacionais:
a. Revisão de bibliográfica: esta etapa compreende levantamento junto à literatura
técnico-científica de dados e informações capazes de subsidiar a avaliação do
desempenho ambiental de unidades de cogeração operando com biomassa nas formas
de bagaço e palha, bem como, de conteúdos que permitam conhecer em elevado nível
de detalhe aspectos tecnológicos, operacionais e construtivos desse processo
produtivo;
b. Definição de cenários: com base nos levantamentos efetuados na etapa de Revisão
Bibliográfica foram selecionados parâmetros essenciais para o funcionamento do ciclo
Rankine com reaquecimento em uma destilaria autônoma. Estes foram variados dentro
de limites técnicos bem definidos. Cada qual dessas condições de operação originou
um cenário de análise;
c. Análise Energética: cada cenário foi verificado quanto ao desempenho energético.
Para tanto, parâmetros e demais condições operacionais que caracterizassem cada
cenário foram alimentados a um modelo matemático que fora concebido com o
propósito único de simular o comportamento termodinâmico do ciclo de cogeração;
d. Análise Ambiental: esta etapa consistiu em aplicar a técnica de ACV a um sistema de
produto que caracterizasse adequadamente a produção de eletricidade via cogeração
de biomassa de cana-de-açúcar. Com isso, esperava-se obter um diagnóstico sistêmico
equantitativo, do desempenho ambiental daquele arranjo. Para a elaboração do modelo
de sistema de produto procedeu-se um amplo levantamento de consumos e emissões
associadas ao ciclo de vida em análise para cada cenário de operação. Os resultados
obtidos da Análise Energética também foram incorporados ao acervo de informações
que caracterizou cada situação sob investigação. A Análise Ambiental foi conduzida
dentro de um escopo de aplicação da ACV do tipo ‘berço-ao-portão’, e levou em
conta apenas categorias de impacto que fossem aderentes com as circunstâncias
examinadas. Para esse desenvolvimento, fixou-se a produção de etanol gerada pela
50
destilaria, a fim de que essa variável não exercesse influência direta sobre os
resultados obtidos;
e. Análise crítica: de posse dos resultados alcançados realizou-se uma análise de
tendência que se propôs a identificar o grau de influência de cada parâmetro essencial
sobre os demais de sua classe, no tocante aos efeitos ambientais selecionados para o
estudo. Além de eventualmente conhecer os valores de cada parâmetro essencial que
resultassem nos mínimos impactos ambientais gerados pelo sistema de produto, esta
verificação buscou ainda conhecer, e ser capaz de justificar, tendências de oscilação
desses efeitos a partir da alteração de comportamento de condições de processo
específicas para a cogeração.
4.1 Definição dos cenários
A partir das informações obtidas na Revisão Bibliográfica foram definidos os cenários
possíveis de cogeração elétrica para modelagem da Análise Energética e posteriormente, da
Análise Ambiental. Os parâmetros denominados de essenciais (ou inerentes) à análise,
quecaracterizam e distinguem cada uma das possibilidades são: (i) taxa de aproveitamento da
palha gerada no campo como combustível para a cogeração; (ii) teor de umidade da palha; e
(iii) função de estado do vapor emanado da caldeira.A Tabela 1descreve os valores
selecionados para cada parâmetroessencial.
Tabela 1 – Características dos cenários avaliados: pressão de vapor, taxa de adição e umidade de palha
Pressão da caldeira P (bar)
Adições da palha A (%)
Umidade da palha u (%)
20 10 10
45 20 15
67 30 25
80 40 35
100 50 50
51
Um cenário hipotético (Cn) será caracterizado para condições específicas de Pressão
do vapor que deixa a caldeira (P), Taxa de Adição de Palha (A) e Umidade da palha (u). Ou
seja,
Cn = f [P (bar); A (%); u (%)]
O caráter de independências dos parâmetros essenciais fez com que fossem
constituídos exatos cento e vinte e cinco cenários de análise. As bases teóricas para
proposição de tais arranjos provem da descrição detalhada de ganhos de efetividade em usinas
termelétricas, cuja cogeração ocorre em ciclos Rankine de elevada eficiência térmica por
conta da inclusão de reaquecimento, aos quais se acoplam turbinas de extração-condensação.
Estes conteúdos e conhecimentos foram adquiridos junto a Moran e Shapiro (2008).
A palha é enfardada no próprio local de produção e transportada para a destilaria.
Chegando ao destino esta será picada e adicionada ao bagaço para compor a mistura a ser
queimada na caldeira. Para cada tonelada de cana-de-açúcar produzida são gerados 280 kg de
bagaço com umidade média ub = 50%, e outros 164,7 kg de palha. Nesse caso admitiu-se
como valor de referência para projeto de ciclo de cogeração que a umidade da palha seja de
up = 15% (CORTEZ, 2010; GUERRA, 2014).
Foram definidas cinco condições operacionais de produção de vapor superaquecido à
saída da caldeira. Essas variaramentre 20 < P (bar) < 100 e, por hipótese, mantem o mesmo
grau de superaquecimento em todos os casos. Essa especificação procurou reduzir o número
de graus de liberdade associados ao sistema, e ao mesmo tempo enfatizar o foco na variação
de pressão da caldeira e alimentação da turbina.
A escolha dos valores das pressões (20, 45, 67, 80 e 100 bar) foi baseada em Guerra
(2014). Após levantamento realizado junto à literatura especializada o autor constatou que a
maioria das caldeiras ainda operacom baixas pressões para produção de vapor. Guerra
adverte, porém, que esse quadro vem se alterando ao longo dos anos, e que os projetos mais
recentes de ciclo Rankine geram vapor a pressões mais elevadas. Todos os valores de pressão
selecionados constam da literatura como possibilidades reais para operação da caldeira.
Com relação à quantidade de palha utilizada como combustível, cinco condições
foram definidas, entre 10 < A (%)<50 de toda a palha gerado durante o cultivo da cana-de-
açúcar. O limite superior da faixa foi determinado em função de dois fatores: (i) quantidades
superiores a 50% de palha poderiam comprometer a estabilidade operacional da caldeira,
52
mais especificamente, dos tubos de circulação de água, ao gerar depósitos sobre esses, devido
ao teor de sílica na palha; ou mesmo, os expor a corrosão, dada a presença de cloretos no
mesmo combustível; (ii) os especialistas em cultivo de cana sugerem que ao menos a metade
da palha gerada permaneça no campo a fim de proteger a superfície do solo de efeitos naturais
adversos (erosão, desgaste, compactação).
Variações de umidade da palha, entre 10 e 50%, definem mais cinco condições. Um
up,máx = 50% foi considerado com o intuito de verificar os impactos ambientais associados ao
sistema de produto quando toda a biomassa (bagaço e palha) apresentasse a mesma
quantidade de água superficial em sua estrutura. Já o up = 10% foi ensaiado com o objetivo de
fornecer conclusões para casos em que a palha fosse secada previamente ao seu uso, passando
assim a deter uma taxa de água inferior ao padrão usual de projeto. Nesse caso, considerou-se
que a secagem da palha ocorreria de forma natural, simplesmente por exposição ao sol, sem,
portanto, predispor consumo de recursos e/ou geração de rejeitos.
4.2 Modelagem Termodinâmica dos Cenários
4.2.1 Premissas e definição dos parâmetros operacionais dos cenários
Todos os ciclos Rankine que definem os cenários de análise detêm a mesma
concepção construtiva, sendo constituídos pelos seguintes equipamentos: caldeira, turbina,
condensador, bombas, desaerador e purgador. Amodelagem termodinâmica foi realizada
admitindo que sua operação ocorreria em regime permanente. Além disso, estabeleceu-se por
premissa que todo bagaço gerado na etapa de moagem da cana é consumido na caldeira.
Para todos os cenários, considerou-se que uma fração de vapor na forma saturada, com
título (x) = 1,0 e P = 2,5 bar é extraída da turbina para ser usada na produção do etanol. Esta é
chamada, convencionalmente, de vapor de escape. Além disso, o vapor que deixa a turbina
(vapor de cauda) também estaria saturado, mas com x = 0,89 e a P = 0,1 bar. Este fluído
segue diretamente para o condensador, onde muda de fase antes de retornar á caldeira. Foram
desprezadas perdas de carga das tubulações responsáveis pelo transporte do fluido de trabalho
ao longo do ciclo termodinâmico. Os balanços de energia realizados nos equipamentos
auxiliares (bombas, desaerador, dessuperaquecedor, purgadores e tubulações) não
consideraram possíveis perdas energéticas nessas unidades.
53
Os cálculos adotados nas simulações tomaram por premissa a produção de etanol
anidro (99,5%w/w) em destilaria autônoma, com capacidade de moagem de 2,5 Mt de cana-de-
açúcar por safra (210 dias). Partindo-se das estimativas realizadas por Dias et al (2009) e
Cavalett et al (2012) para destilarias autônomas que operam no estado de São Paulo, adotou-
se um consumo específico de 400 kg/tc de vapor saturado (2,5 bar) para o atendimento da
demanda térmica da planta industrial (que compreende tanto a destilaria, como a própria
cogeração).
O consumo total de eletricidade na planta industrial oscila entre 31,06 kWh/tc para o
cenário I quando up = 10%, e 39,56 kWh/tc, (cenário V com up = 50%) (Tabela 2). Assim
como já fora indicado antes a produção de etanol foi mantida constante. Essa decisão traz
imediatamente dois desdobramentos fundamentais para o desenvolvimento do estudo: (i) a
quantidade de cana-de-açúcar permanece constante; e (ii) a quantidade de bagaço gerado na
etapa de moagem será igualmente invariável para todos os cenários.
Tabela 2 – Variação do consumo de eletricidade na unidade industrial em função da umidade da palha
Cenário Eletricidade
(kWh/tc) Umidade da palha
u (%)
I
31,06 10
31,12 15
31,27 25
31,47 35
31,91 50
II
32,12 10
32,25 15
32,55 25
32,94 35
33,82 50
III
33,18 10
33,37 15
33,82 25
34,41 35
35,73 50
54
IV
34,24 10
34,50 15
35,10 25
35,88 35
37,65 50
V
35,31 10
35,62 15
36,37 25
37,35 35
39,56 50
Essa decisão permitiu que os efeitos ambientais das sucessivas adições de palha, e da
taxa de umidade a esta associada fossem verificados sem quaisquer interferências que
pudessem ser proporcionadas pela outra fonte de biomassa (bagaço) que foi introduzida no
sistema.
4.2.2 Construção de modelos matemáticos
Os modelos elaborados para representar o funcionamento termodinâmico da
cogeração basearam-se em análises de 1ª.e 2ª. Leis. O programa computacional Engineering
Equation Solver – EES® foi empregado como ferramenta de apoio à elaboração dessas
lógicas. Além das premissas descritas na seção anterior, diversos parâmetros de caráter geral
foram considerados para efeito de elaboração dos modelos. Aqueles considerados mais
significativos para essa ação aparecem descritos a seguir na Tabela 3.
Além de conferir homogeneidade a análise, e reduzir a níveis instantâneos a
velocidade das estimações, a opção pelo EES se sustenta em virtude de sua capacidade de
solucionar com elevado grau de precisão, um conjunto extenso de equações lineares. As
equações são inseridas pelo operador para efeito de composição do modelo em estudo. A
interface de simulação também deve ser construída, permitindo com isso que a apresentação
se tornecustomizada e assim, facilite a interpretação dos resultados obtidos.
Com as propriedades de estado bem definidas e respeitando os graus de liberdade,
pode-se usar o EES® para estimar parâmetrostanto físico-químicos como termodinâmicos do
fluido de trabalho, viabilizando a realização de simulações em diversas condições
55
operacionais (EES, 2016). Serão apresentados a seguir, mais detalhes quanto a características
e especificidades dos modelos termodinâmicos. Além disso, serão apresentadas ainda as
equações elaboradas para compor os referidos modelos.
Tabela 3 – Parâmetrosgeraisutilizados para estimativa e modelagem dos cenários de análise
Parâmetros Valores Unidades
Cana moída total 2.500.000 t
Dias de safra (destilaria em operação) 210 dias
Eficiência térmica da caldeira variável: f (cenário)
Eficiência isentrópica da turbina variável: f (cenário)
Eficiência do gerador 95 %
Eficiência isentrópica das bombas 85 %
Temperatura no desaerador 110 °C
Bagaço produzido na destilaria 280 kg/tc
Teor de umidade do bagaço (ub) 50 %
Teor de umidade da palha (up) variável: f (cenário)
Palha produzida no campo (up = 0%) 140 kg/tc
Consumo de vapor na destilaria 400 kg/tc
Consumo de eletricidade nadestilaria 30 kWh/tc
Consumo de eletricidade na moagem da palha variável: f (cenário)
Pressão do vapor superaquecido que deixa a caldeira variável: f (cenário)
Pressão de extração na turbina para uso no processo (vapor de escape) 2,5 bar
Pressão de extração na turbina para condensação (vapor de cauda) 0,1 bar
Fonte: Ensinas (2008); Seabra (2008); Dias et al. (2009); Dias et al. (2010); Oliveira Jr. (2012); Cardoso et al. (2013); e Cavalett et al. (2012); CONAB (2014); Guerra (2014).
4.2.3 Características específicas dos arranjos
Foram utilizados dados reais para os parâmetros de desempenho dos equipamentos da
planta de cogeração, como bombas, turbina, caldeira e gerador. Tal como já fora mencionado,
assumiu-se que a produção de etanol anidro seria constante, que todo o bagaço gerado a partir
do processamento da cana-de-açúcar é utilizado na cogeração, e que a destilaria opera no
estado estacionário.
56
Figura 6 – Representação de ciclo Rankine com reaquecimento
Fonte: adaptado de Guerra (2014)
Assim, parâmetros como as quantidades de cana-de-açúcar produzida, vapor gerado, e
etanol obtido na destilaria, assim como, o consumo de eletricidade na planta industrial,
mantiveram-se constantes para todos os cenários.
A Figura 6 apresenta uma ilustração do ciclo Rankine com reaquecimento operando
em um sistema de cogeração, que foi construído no programa EES®. A pressão em que parte
do vapor é extraído na turbina com o intuito de reaquecê-lo no superaquecedor da caldeirafoi
determinada via otimização das condições de processo, tendo em conta as diferentes pressões
de operação da caldeira (20, 45, 67, 80 e 100 bar).
4.2.4 Modelagem dos equipamentos
A modelagem termodinâmica de cada equipamento que constitui o ciclo Rankine foi
baseada na aplicação de princípios de conservação de matéria e energia (particularmente, de
entalpia (sistema aberto) e trabalho de eixo, que são típicos da 1ª. Lei da Termodinâmica) e
balanços entrópicos (usados para introduziram componentes da 2ª. Lei na análise). Funções
de estado dos fluídos envolvidos na cogeração foram empregadas para determinar as
propriedades termodinâmicas das mesmas substâncias. Valores de entalpia e entropias foram
calculadas a partir da biblioteca de propriedades termodinâmicas do EES®. O desempenho
técnico da caldeira, turbina, bombas, e do gerador elétrico foi representado por dados
57
coletados junto à literatura técnica (ENSINAS, 2008; SEABRA 2008; DIAS et al, 2009 e
2010; OLIVEIRA JR, 2012; CARDOSO et al, 2013; FLORIO e OLIVEIRA JR, 2014;
GUERRA et al, 2014).
Os resultados teóricos da modelagem foram confrontados a parâmetros reais, obtidos
de um ciclo de cogeração que opera a P = 67 bar, para duas condições de dosagem de
biomassa em termos de palha: A = 0%, e A = 50%. No caso em que o ativo foi dosado em
associação ao bagaço, seu teor de umidade era de up = 15%.
Os principais indicadores de desempenho determinados pelo modelo para as condições
de cada cenário foram: eficiência energética (%), Geração específica de eletricidade (kWh/tc),
Eletricidade exportada (kWh/tc), consumo de água na torre de resfriamento (kg/tc), consumo
de água deionizada (kg/tc).
4.2.4.1 Caldeira
A caldeira é o equipamento que responde pela transferência do calor dos produtos da
combustão para o fluido de trabalho. Trata-se de um dos elementos mais importantes do ciclo
Rankine quando analisado sob o ponto de vista da 2ª. Lei da Termodinâmica, pois é ali que
residem as maiores irreversibilidades do sistema. Estas derivam justamente dos processos de
combustão e de transferência de calor (BRÄSCHER, 1991; TSATSARONIS e PARK, 2002).
Vapor é gerado na caldeira pela transformação da energia química do combustível em
energia térmica (calor). A queima da biomassa da cana-de-açúcar ocorre na fornalha; o calor
que é produzido dessa operação será transferido por radiação para feixes de tubos que
compõem as paredes internas da caldeira. No interior destes circula água que, devido ao
contato indireto com a energia em um equipamento conhecido como superaquecedor, muda
sucessivamente de fase até atingir a condição de vapor superaquecido (na qual sua
temperatura será elevada acima da temperatura de saturação).
Mesmo depois de ceder energia para o fluido de trabalho, os gases de combustão ainda
possuem temperatura elevada. Por conta disso os geradores de vapor dispõem de
equipamentos para aproveitar melhor essa energia remanescente. Dentre estes se incluem os
reaquecedores, economizadores, e pré-aquecedores de ar (BRÄSCHER, 1991; ANON, 2005).
A temperatura do vapor à saída do superaquecedor é dada pela equação (Eq 1):
58
T1 = Tsat(water; P = Pc) + Gsuper (Eq 1)
Onde:
T1= temperatura do vapor superaquecido (oC);
Tsat(water; P = Pc) = temperatura de saturação da água na pressão da caldeira (oC);
Gsuper= grau de superaquecimento (oC)
Pc = pressão de operação da caldeira (bar).
A quantidade de calor gerada na caldeira é dada pela vazão mássica de biomassa, ou
seja, bagaço e palha. A essa quantidade de calor dá-se o nome deenergia disponível, ao passo
que o total de energia efetivamente absorvida pelo fluido de trabalho denomina-se energia
útil. A diferença entre energia disponível e energia útil se deve a perdas que ocorrem ao longo
dos diversos equipamentos da instalação (SINGER, 1981).
No ciclo Rankine com reaquecimento o vapor superaquecido passar pelo estágio de
alta pressão da turbina, e retorna para o reaquecedor a fim de recompor a temperatura inicial.
Nesta condição o fluido retorna mais uma vez para a turbina onde segue naturalmente o
processo de expansão. A Figura 7 representa um esquema da caldeira desenvolvido com
auxílio do EES®.
Figura 7 – Esquema ilustrativo da caldeira de força
Fonte: adaptado de Guerra (2014)
59
Tomando como referência a Figura 7, o balanço de massa na caldeira pode ser
estimado pelas equações Eq. 2 e Eq. 3:
ṁágua = ṁvapor + ṁpurga (Eq 2)
ṁpurga = Ypurga . ṁvapor (Eq 3)
Onde:
ṁágua= vazão mássica da água de alimentação da caldeira (t/h);
ṁvapor= vazão mássica de geração de vapor superaquecido (t/h);
ṁpurga= vazão mássica de purga da caldeira (t/h);
Ypurga= taxa de purga (%);
O balanço de energia na caldeira esta descrito a seguir na forma das equações Eq 4 a
Eq 6:
ṁágua . h7 + Qc= ṁvapor· h1+ ṁpurga· hpurga + Qreaq (Eq 4)
Qc = ( mbagaço · PCIbagaço + mpalha . PCIpalha) · ɳc (Eq 5)
ɳc . Qreaq = ṁvap.reaq . (h9 – h8) (Eq 6)
Onde:
Qreaq = energia consumida no reaquecimento do vapor que retorna para o reaquecedor (kJ/kg);
h8= entalpia específica do vapor que segue para o reaquecedor (kJ/kg);
h9= entalpia específica do vapor que retorna para a turbina após ser reaquecido (kJ/kg);
hpurga = entalpia específica da purga da caldeira (kJ/kg);
Qc = energia útil (kJ/kg);
ṁbagaço = vazão mássica de bagaço na fornalha (kg/h);
ṁpalha = vazão mássica de palha na fornalha (kg/h);
ɳc = eficiência térmica da caldeira (%);
PCIbagaço = poder calorífico inferior do bagaço (kJ/kg);
PCIpalha = poder calorífico inferior da palha (kJ/kg).
60
Conhecendo a eficiência témica da caldeira e a energia disponível da biomassa, pode-
se então obter a energia útil. Uma estimativa aceitável para a taxa de purga é que esta totalize
3,0% da vazão de vapor (MORAN e SHAPIRO, 2008). A partir disso estimam-se as vazões
mássicas de vapor superaquecido e purga.
Uma estimativa de perdas energéticas na caldeira pode ser realizada a partir de Eq 7 e
Eq 8:
Boiler losses = POTentrada . ( 1 – ηc) (Eq 7)
Boiler losses, perc = Boiler losses . 100% (Eq 8) POTentrada
Onde: POTentrada = potência de entrada ou energia disponível (kJ/kg);
Boiler losses = perdas energéticas na caldeira (kJ/h);
Boiler losses.perc = perda energética percentual na caldeira (%).
A estimativa da pressão ótima de extração do vapor para o reaquecimento está baseada
em hipóteses formuladas por Guerra (2014) que, de sua parte, se fundamentam na aplicação
do Método de Aproximações Quadráticas.
Tabela 4 – Pressão de extração ótima de vapor a ser efetuada na turbina para os diferentes níveis de operação caldeira em termos de pressão de vapor superaquecido
Pressão da caldeira (bar) Pressão de extração ótima para reaquecimento
do vapor (bar)
20 9,10
45 15,8
67 21,1
80 23,5
100 27,4
A otimização dos cenários com reaquecimento mostrou que cada condição de pressão
da caldeira possui um ponto bem definido de extração. Esses valores aparecem indicados na
Tabela 4.
61
4.2.4.2 Turbina
A turbina é o equipamento responsável pela conversão de energia térmica em energia
cinética, do que resulta energia mecânica de eixo que, de sua parte, irá acionar o gerador.
Cada estágio da turbina é projetado para produzir uma quantidade de trabalho a partir de um
montante estabelecido de energia térmica (SHLYAKHIN, 2005). A eficiência de uma turbina
real, conhecida como eficiência isentrópica, é definida pela razão entre o trabalho de eixo real
e o trabalho de eixo na expansão isentrópica (ideal), para as mesmas funções de estado de
entrada na turbina e mesma pressão de saída. Essa relação, entre trabalho produzido e energia
térmica disponível, resulta na eficiência interna do estágio (SALISBURY, 1974; MORAN e
SHAPIRO, 2008).
A definição matemática da eficiência isentrópica da turbina está indicada a seguir em
Eq 9:
ηt = h1 – h2 (Eq 9) h1 – h2,iso
Onde:
h1 = entalpia específica do vapor na entrada de um determinado estágio da turbina (kJ/kg);
h2 = entalpia específica do vapor na saída de um determinado estágio da turbina (kJ/kg)
h2iso = entalpia na condição ideal de expansão à saída de um estágio da turbina (kJ/kg)
ηt = eficiência isentrópica da turbina (%)
A Figura 8 descreve o conjunto turbina e gerador para um dos modelos construídos
com auxílio de EES®. A turbina é alimentada pela corrente de vapor superaquecido
proveniente da caldeira. No ciclo Rankine com reaquecimento, há três correntes de vapor de
saída: (i) corrente do vapor de escape a 2,5 bar (Figura 8: corrente C2), que será empregada
como fonte de energia térmica no processo; (ii) corrente de vapor de cauda (Figura 8: C3), a
qual é extraída a 0,1 bar, e encaminhada para o condensador; e (iii) corrente de vapor que
retorna para a caldeira (Figura 8: C8). Partindo da expressão de cálculo de (ηt) é possível
determinar a entalpia real do vapor extraído para o processo (MORAN e SHAPIRO, 2008; LI
e CALISAL, 2010).
62
Figura 8 – Desenho esquemático ilustrativo do arranjo turbina e gerador
Fonte: adaptado de Guerra (2014)
Complementarmente à Eq 9 está a Eq. 10:
ηt = h1 – h3 (Eq 10) h1 – h3iso
Onde:
h1 = entalpia específica do vapor na entrada na turbina (kJ/kg);
h3 = entalpia específica do vapor de cauda da turbina (kJ/kg);
h3iso = entalpia específica do vapor de cauda na condição ideal de expansão isentrópica (kJ/kg);
ηt = eficiência real da turbina.
O balanço de massa na turbina pode ser calculado pela Eq 11:
ṁ vapor = ṁ vap.escape + ṁ vap.cauda (Eq 11)
Onde:
ṁ vapor = vazão mássica do vapor superaquecido de alimentação da turbina (t/h);
ṁ vap.escape = vazão mássica do vapor de escape (t/h);
ṁ vap.cauda = vazão mássica do vapor de cauda (t/h).
63
As potências elétricas do sistema foram determinadas pelas equações Eq 12 a Eq 14:
POT eletr.gerada = (POT1 + POT2) . ηg (Eq 12)
POT1 = ṁ vap.escape . (h1 – h2) (Eq 13)
POT2 = ṁ vap.cauda . (h1 – h3) (Eq 14)
Onde:
POTeletr.gerada = potência elétrica gerada no turbogerador (kJ/h);
POT1 = potência elétrica gerada associada ao vapor de escape (kJ/h);
POT2 = potência elétrica gerada associada ao vapor de cauda (kJ/h);
ηg = eficiência do gerador (%).
4.2.4.3 Condensador
A unidade de condensação se encarrega de descartar calor excedente do sistema para o
meio ambiente ao condensar o vapor de cauda da turbina até que este atinja limites de líquido
saturado. O condensador é projetado de modo a proporcionar a pressão de condensação
desejada (STOECKER, 1989; MAULBETSCH &DI FILIPPO, 2006). Para este estudo
admitiu-se que a pressão de condensação seria de 0,1 bar. Este valor é frequentemente
empregado no dimensionamento de unidades de cogeração que operam no setor
sucroalcooleiro com turbinas do tipo extração-condensação (MAULBETSCH eDI FILIPPO,
2006). A Figura 9 mostra o funcionamento do conjunto formado por condensador e torre de
resfriamento do ciclo Rankine com reaquecimento que foi elaborado no EES®.
Figura 9 – Ilustração do conjunto condensador e torre de resfriamento.
Fonte: adaptado de Guerra (2014)
3
64
O vapor de cauda circula através do condensador (Figura 9: C3 e C4). As temperaturas de
entrada e saída da água de recirculação na torre de resfriamento (Tin e Tout) são parâmetros de
projeto desse equipamento. Seu dimensionamento leva em conta considerações econômicas e
restrições impostas pelo sistema. No projeto, deve-se garantir a remoção da carga térmica do
vapor de processo, além de assegurar uma temperatura mínima para a água resfriada. O valor
dessa temperatura compreende uma das considerações essenciais de projeto da torre, pelo fato
de exercer grande impacto sobre seu custo (CORTINOVIS, 2004).
Na modelagem de todos os cenários estudados, adotou-se temperaturas da água de
saída da torre Tin = 30°C, e de retorno para ela Tout = 40°C. Essa consideração determinou a
vazão de recirculação da bomba, uma vez conhecido a taxa de transferência de energia
térmica da corrente quente (vapor de cauda) para a corrente fria (água de recirculação).
Os balanços de massa e de energia no condensador podem ser realizados a partir da aplicação
de Eq 15 e Eq 16:
ṁvap.cauda = ṁ4 (Eq 15)
Qout = ṁvap.cauda . (h3 – h4) (Eq 16)
Onde:
Qout = calor transferido do vapor de cauda para água de recirculação da torre (kJ/h);
h3 = entalpia específica da corrente de vapor de cauda na entrada do condensador (kJ/h);
h4 = entalpia específica da corrente de líquido saturado na saída do condensador (kJ/h);
ṁ4 = vazão mássica de líquido saturado na saída do condensador (kJ/h).
Já os balanços material e energético na torre de resfriamento originam-se de Eq 17 e Eq 18:
Qout = ṁrecirculação . (hout – hin) (Eq 17)
ṁrepos.torre = Yperdas . ṁrecirculação (Eq 18)
Onde:
hin = entalpia específica da corrente de água de resfriamento na entrada do condensador
(kJ/kg);
hout = entalpia específica da corrente de água de resfriamento na saída do condensador (kJ/kg);
65
ṁrecirculação = vazão mássica da água de recirculação da torre (kg/h);
ṁrepos.torre = vazão mássica da água de reposição da torre (kg/h);
Yperdas = percentual de perda de água na torre de resfriamento em relação à recirculação (%).
Faz-se necessária uma reposição de água na torre de resfriamento a fim de suprir
perdas de processo que ocorrem por evaporação, arraste e purga (OLIVEIRA JR, 2012). O
balanceamento do equipamento admitiu que este operasse em regime permanente. Por conta
disso, a vazão de água reposição é igual ao somatório de todas as perdas da torre.
Oliveira Jr (2012) aponta que as perdas de água na torre podem alcançar 10% da
vazão de água que circula no sistema. Tendo em vista tal observação, adotou-se para
modelagem dos cenários em estudo uma perda de 5,0% da vazão de água que recircula entre
o condensador e a torre de resfriamento. As perdas de energia que ocorrem no condensador
foram determinadas pelas equações Eq 19 e Eq 20.
POTcondensador = Qout (Eq 19)
POTcondensador,perc = POTcondensador . 100% (Eq 20) POTentrada
Onde:
POTcondensador = potência perdida no condensador (kJ/h);
POTcondensador,perc = potência percentual perdida no condensador (%).
4.2.4.4 Bombas
Uma ação de bombeamento é necessária para que a água de alimentação que é extraída
da unidade de condensação retorne à caldeira. Dessa intervenção decorre uma elevação
natural de pressão. Na cogeração o bombeamento é realizado em dois estágios: no primeiro
estágio, encontra-se um grupo de bombas conhecido como bomba de condensado, que se
encarrega da extração da água saturada da unidade condensadora. No segundo estágio de
bombeamento, atua outro grupo de bombas, que elevará a pressão da água de alimentação até
a pressão final. Em geral essa condição de bombeamento é submetida a grandes diferenciais
66
de pressão (OLIVEIRA JR, 2010). Por conta disso, definiu-se para os cenários em análise que
a pressão de alimentação é em 20% superior à pressão de operação da caldeira.
Trabalho deve ser fornecido para que as bombas desloquem o líquido de baixa até alta
pressão. Parte desse trabalho é perdido por conta de irreversibilidades do processo. A
eficiência de uma bomba pode ser definida como sendo o inverso da eficiência de uma
turbina; ou seja, a razão entre o trabalho isentrópico e o trabalho real, a ser fornecido quando
se opera entre duas pressões (MORAN e SHAPIRO, 2008). A Figura10 traz um detalhe da
bomba 1, que desloca líquido saturado do condensador para o desaerador.
Figura 10 – Detalhe da bomba de recalque de condensado
Fonte: adaptado de Guerra (2014)
A eficiência isentrópica da bomba será calculada pela equação Eq 21:
ηB1 = h4 – h5iso (Eq 21) h4 – h5
Onde:
h4 = entalpia específica do líquido saturado na saída do condensador (kJ/kg);
h5 = entalpia específica do líquido na saída da bomba (kJ/kg);
h5iso = entalpia específica do líquido à saída da bomba medida na condição ideal de
compressão isentrópica (kJ/kg);
ηB1 = eficiência isentrópica da bomba.
Uma consulta a catálogos de equipamentos levou a adotar uma eficiência isentrópica
da bomba ηB1 = 85%. O trabalho perdido pela bomba, que corresponde à diferença (h5 – h5iso)
será reduzido à medida que a pressão de descarga se aproxima da pressão isentrópica de
descarga. A potência consumida na bomba B1 pode ser estimada por Eq 22:
3
67
POTB1 = ṁvap.cauda . (h5 – h4) (Eq 22)
Sendo:
POTB1 = potência consumida pela bomba B1 (kJ/h);
A bomba de alimentação da caldeira (B2) foi modelada com conceitos idênticos
àqueles apresentados para a modelagem da bomba do condensador (B1).
4.2.4.5 Desaerador
O desaerador é um equipamento projetado para remover gases não condensáveis do
sistema, e para realizar o pré-aquecimento da água de alimentação da caldeira. A Figura 11
apresenta um esquema do desaerador construído no EES.
Figura 11 – Representação da unidade de desaeração
Fonte: adaptado de Guerra (2014)
Os balanços de massa e energia no desaerador estão sintetizados nas equações Eq 23 e
Eq 24.
ṁretorno + ṁvap.desaerador + ṁvap.cauda + ṁrep.desaerador = ṁágua (Eq 23)
ṁretorno . hcond. + ṁvap.desaerador . h2 + ṁvap.cauda . h5 + ṁrep.desaerador . hrep.des = ṁágua . h6 (Eq 24)
Onde:
ṁretorno = vazão mássica de condensado de retorno para o processo de produção do etanol
(kJ/h);
ṁvap.desaerador = vazão mássica do vapor usado para atingir o set point de desaeração (kJ/h);
68
ṁvap.cauda = vazão mássica do vapor de cauda da turbina a ser bombeado para o desaerador
(kJ/h);
ṁrep.desaerador = vazão mássica de reposição de água no desaerador (kJ/h);
ṁágua = vazão mássica da água de alimentação da caldeira (kJ/h);
hcond = entalpia específica do condensado de retorno para a produção de etanol (kJ/h);
h2 = entalpia específica da corrente de vapor a 2,5 bar que alimenta o desaerador (kJ/h);
h5 = entalpia específica da corrente do condensado procedente do condensador (kJ/h);
hrep.des = entalpia específica da corrente de água de reposição do desaerador (kJ/h);
h6 = entalpia específica da corrente de água na saída do desaerador (kJ/h).
Do ponto de vista de modelagem, a vazão de água de alimentação da caldeira pode ser
conhecida via balanços de massa e energia. Assim como já fora apresentado na seção 4.2.1 –
‘Premissas e definições de parâmetros usados na construção de cenários’ a vazão de
retorno de condensado desde a produção de etanol está também identificado, pelo fato de a
vazão de vapor saturado seco a P = 2,5 bar usado no processamento de C2H6O (99,5%v/v) ter
sido fixado em 400 kg/tc (Tabela 3). Admitiu-se que 90% do vapor saturado que foi utilizado
pelo processo retorna na forma de condensado para o desaerador; o restante se perde na forma
de emissões atmosféricas e efluentes líquidos ao longo do processo.
Como as propriedades de estado das mesmas correntes são conhecidas, determinou-se
então a vazão da água de reposição do desaerador, e o consumo de vapor utilizados para
atingir o set point de 110°C no equipamento. Essa consideração resultou em fechamento dos
balanços. Por fim, o balanço energético do desaerador desprezou perdas de calor para o
ambiente (ou seja, este foi tratado como adiabático).
4.2.5 Cogeração
A cogeração compreende um ciclo Rankine, com sistema de reaquecimento, comum
em unidades elétricas de alto desempenho instaladas no estado de São Paulo (GUERRA et al,
2014). A Tabela 5 traz as propriedades da biomassa utilizada nesta etapa do processo. A
variabilidade em torno desses dados é bastante elevada. Isso se deve às diferentes
características do solo nas regiões em que a cana é cultivada. Este estudo baseou suas
69
condicionantes em valores propostos por Leal (2013) pelo fato destes serem típicos para as
características atuais da cana-de-açúcar processada no estado de São Paulo.
Tabela 5 – Características e propriedades do bagaço e palha de cana-de-açúcar
Propriedade Bagaço Palha (***)
Poder Calorífico Inferior (PCI) (kJ/kg) 7565 12960
Umidade absoluta (%) 50 15
C (%) 44,6(*) 45,7 (**)
H (%) 5,80(*) 6,20(**)
O (%) 44,5(*) 42.8 (**)
Fonte: Leal et al (2013)
Observações: (*) base seca; (**) folhas verdes; (***) dados padronizados para palha, que foram empregados para efeito de estimativas realizadas para cada cenário.
A quantidade de energia excedente do processo foi determinada para cenário em
análise, a partir do conjunto de equações lineares (Eq 25 a Eq 27) apresentado a seguir.
Ee = ET – EPT (Eq 25)
ET = (HVAP – ΣHVBPi). Ƞ (Eq 26)
EPT = Σ (EP)i (Eq 27)
Sendo:
Ee = energia excedente (MWh)
ET = energia total gerada (MWh)
EPT = energia total consumida no processo (MWh)
(EP)i = energia consumida em cada etapa do processo (MWh)
HVAP = entalpia do vapor de água de alta pressão
HVBPi = entalpia do vapor de água de baixa pressão
Ƞ = Eficiência
70
O processo de cogeração foi modelado a partir de dados secundários, obtidos junto a
Dias et al (2009 e 2011), Oliveira Jr (2012), Florio e Oliveira Jr (2014) e Guerra et al (2014),
sempre com apoio do programa computacional EES®. Tal como aparece indicado na seção
4.2.4 os resultados dessa incursão teórica foram comparados a dados reais no intuito de
validar o modelo.
Depois de serem efetuados os ajustes necessários verificou-se que os desvios
existentes entre os dados hipotéticos e aqueles que foram coletados durante visitas de campo
apresentavam uma variação inferior a 2,5% para todos os indicadores de desempenho (vide
mais uma vez a seção 4.2.4), condição considerada aceitável para efeito dos fins a que este
estudo se propõe.
4.3 Aspectos Específicos da Avaliação Ambiental
4.3.1 Definição de Objetivo e Definição de Escopo: Função, Unidade Funcional e Fluxo
de Referência
Este estudo foi conduzido de acordo com as diretrizes estabelecidas pela norma ABNT
NBR ISO 14044 (ABNT, 2009b). A modelagem do ciclo de vida ocorreu a partir de
abordagem atribucional. Assim, no que se refere à Definição de Objetivos a iniciativa se
propôs a efetuar uma análise ambiental de ações para melhoria de desempenho de unidades de
cogeração de energia elétrica a partir de queima de bagaço e de palha da cana-de-açúcar.
Quanto ao enfoque metodológico decidiu-se por um escopo de aplicação da técnica de ACV
do tipo “berço-ao-portão”. Por conta disso, processamentos que ocorrem nas etapas de pós-
produção do ciclo de vida foram desconsiderados pela análise.
Em termos de Definição de Escopo foram estabelecidos os requisitos que se seguem:
Função: produzir energia elétrica excedente em sistema de cogeração movido por bagaço e
palha de cana-de-açúcar em condições desta ser absorvida pela rede concessionária;
Unidade Funcional (UF): dado que o estudo foi desenvolvido segundo escopo do tipo ‘berço-
ao-portão’, não há sentido em arbitrar-se um valor de UF, mas sim, e antes, de estabelecer um
Fluxo de Referência (FR) para levar adiante a análise. Admitiu-se por conta disso que o
sistema de produto em análise deveria se capaz produzir 10 t de etanol (C2H6O, 99,5% v/v).
71
4.3.2 Sistema de produto e fronteiras do sistema
Muito embora o FR remetesse à produção de etanol, o foco da ACV permaneceu
voltado para cogeração de eletricidade via queima de biomassa. Nesses termos o sistema de
produto compreendeu as etapas de (i) produção agrícola de cana-de-açúcar, (ii) enfardamento
da palha, (iii) transporte de ambas as matérias-primas agrícolas até a destilaria, (iv) produção
de etanol, (v) moagem da palha e (vi) cogeração de eletricidade. O diagrama completo do
sistema de produto é apresentado na Figura 12.
O modelo agrícola adotado nesse estudo seguiu os procedimentos, condutas e práticas
convencionais exercitadas no estado de São Paulo. A partir de indicações contidas em
CONAB (2014), definiu-se em 85,6 tc/ha o nível de produtividade agrícola da cana-de-açúcar
na região. Este valor refere-se à média de desempenhos no período compreendido entre 2005
e 2013.
O grau de mecanização das lavouras é tal que 85% do preparo da área e outros 90% da
colheita ocorrem com o auxílio de máquinas (GUERRA, 2014). Resíduos industriais, como
torta de filtro, vinhaça e cinzas da caldeira são reutilizados como fonte de fornecimento de
nutrientes para o cultivo agrícola. Quanto à utilização da palha, considerou-se a hipótese de
que a fração não utilizada na cogeração seria deixada no campo para cumprir funções de
proteção do solo e da cana, como já havia sido adiantado na seção 3.1.2.5.
Na etapa de cultivo foram considerados: (i) uso de fertilizantes para efeito de
suprimento de macronutrientes primários (N, P, K), (ii) ajuste de acidez com calcário; e (iii)
controle de pragas para manutenção das taxas de desempenho agrícola. A administração para
o solo dos resíduos industriais de processo foi considerada fonte complementar de nutrição.
A produtividade de 83,3 L de etanol/t cana é obtida por meio da fermentação alcoólica
do caldo da cana a temperatura (26 – 32°C) e a acidez (4,5 < pH < 5,5) controladas. O etanol
gerado neste processo é destilado, retificado e desidratado até atingir 99,5%v/v. Para tanto,
serão necessários 1030 kg de caldo de cana, e 30 kWh de eletricidade, obtidos integralmente a
partir de queima de biomassa. Desse total, exatos 17 kWh/tc são consumidos na moagem da
cana, e os demais 13 kWh/tc sustentam demandas elétricas da destilaria e da própria cogeração
(SEABRA e MACEDO, 2011).
72
4.3.3 Tipo e qualidade dos dados, e Tratamento de multifuncionalidades
O estudo foi baseado em dados primários e secundários. Os Inventários do Ciclo de
Vida (ICV) para as produções de cana e etanol, que compreendem os dados primários, foram
obtidos por intermédio de parceria técnico-científica estabelecida com o Laboratório Nacional
de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE) (CAVALETT et al, 2013; BONOMI et al,
2016).
A Cobertura Temporal compreendeu o período de 2008 a 2015 para os dados da etapa
agrícola, quando foi possível obter uma série histórica consistente e representativa da
realidade a que o estudo se propõe a examinar. Quanto à Cobertura Geográfica esta remeteu
ao estado de São Paulo em função de sua prevalência em termos de produção nacional de
cana-de-açúcar e de etanol. Finalmente, no tocante à Cobertura Tecnológica admitiram-se as
características, condicionantes, bem como os aspectos construtivos e de processo descritos em
diferentes seções deste documento.
As multifuncionalidades foram tratadas sempre por meio do procedimento de
alocação. A primeira dessas situações ocorre na etapa agrícola, exatamente entre cana-de-
açúcar e palha. Para a referida situação fez-se uso do critério mássico. Por conta disso, as
cargas ambientais relativas a cada produto variam em função do valor de up (%) para a palha.
A segunda situação de multifuncionalidade ocorre na destilaria entre etanol,
condensado de retorno, vinhaça e torta de filtro. Esta foi tratada por alocação mássica, e os
fatores atribuídos a cada coproduto são: etanol 4,86%, condensado de retorno 26,5%, vinhaça
66,7% e torta de filtro 1,92%.
A última das situações de multifuncionalidade ocorre na cogeração. Esta remete as
correntes de eletricidade exportada, eletricidade para o processo, vapor de baixa pressão e
cinzas. Para essa situação decidiu-se por alocação energética e, com isso, a cinza de retorno
para o campo não acumulou cargas ambientais. Já os fatores de alocação estabelecidos para
os demais coprodutos variaram em função das quantidades de eletricidade exportada e
eletricidade consumida no processo. Estes aparecem indicados a seguir nas Tabelas 6 a 10.
73
74
Tabela 6 – Fatores de alocação para partição de cargas ambientais entre eletricidade exportada, eletricidade consumida no processo, e vapor de alta pressão (@ 20 bar)
Taxa de adição de
palha (%)
Umidade da palha (%)
Fator de Alocação
Eletricidade Exportada (%)
Eletricidade Processo (%)
Vapor de baixa pressão (%)
10
10 18,52 8,32 73,16
15 18,33 8,36 73,31
25 17,91 8,44 73,65
35 17,48 8,53 73,99
50 16,80 8,71 74,49
20
10 20,79 8,11 71,10
15 20,34 8,42 71,24
25 19,56 8,57 71,87
35 18,75 8,75 72,50
50 17,41 9,11 73,48
30
10 22,81 8,37 68,82
15 22,26 8,47 69,27
25 21,15 8,69 70,16
35 19,95 8,96 71,09
50 17,99 9,49 72,52
40
10 24,75 8,39 66,86
15 24,08 8,52 67,40
25 22,64 8,81 68,55
35 21,11 9,17 69,72
50 18,55 9,87 71,58
50
10 26,61 8,41 64,98
15 25,86 8,56 65,59
25 24,07 8,93 67,00
35 22,22 9,36 68,42
50 19,10 10,24 70,66
75
Tabela 7 – Fatores de alocação para partição de cargas ambientais entre eletricidade exportada, eletricidade consumida no processo, e vapor de alta pressão (@ 45 bar).
Taxa de adição de
palha (%)
Umidade da palha (%)
Fator de Alocação
Eletricidade Exportada (%)
Eletricidade Processo (%)
Vapor de baixa pressão (%)
10
10 24,23 7,74 68,03
15 24,04 7,77 68,19
25 23,61 7,85 68,54
35 23,18 7,94 68,88
50 22,48 8,11 69,41
20
10 26,54 7,73 65,73
15 26,23 7,81 65,96
25 25,34 7,95 66,71
35 24,52 8,13 67,35
50 23,31 8,50 68,19
30
10 28,67 7,73 63,60
15 28,12 7,83 64,05
25 26,99 8,05 64,96
35 25,79 8,31 65,90
50 23,81 8,82 67,37
40
10 30,67 7,73 61,60
15 29,99 7,86 62,15
25 28,55 8,14 63,31
35 27,01 8,48 64,51
50 24,43 9,16 66,41
50
10 32,57 7,72 59,71
15 31,75 7,88 60,37
25 30,03 8,23 61,74
35 28,17 8,65 63,18
50 25,05 9,49 65,46
76
Tabela 8 – Fatores de alocação para partição de cargas ambientais entre eletricidade exportada, eletricidade consumida no processo, e vapor de alta pressão (@ 67 bar).
Taxa de adição de
palha (%)
Umidade da palha (%)
Fator de Alocação
Eletricidade Exportada (%)
Eletricidade Processo (%)
Vapor de baixa pressão (%)
10
10 27,52 7,41 65,07
15 27,32 7,44 65,24
25 26,89 7,51 65,60
35 26,45 7,60 65,95
50 25,76 7,77 66,47
20
10 29,85 7,39 62,76
15 29,45 7,45 63,10
25 28,65 7,60 63,75
35 27,83 7,77 64,40
50 26,47 8,11 65,42
30
10 32,01 7,37 60,62
15 31,47 7,47 61,06
25 30,34 7,68 61,98
35 29,13 7,93 62,94
50 27,16 8,43 64,41
40
10 34,03 7,35 58,62
15 33,35 7,48 59,17
25 31,88 7,76 60,36
35 30,37 8,09 61,54
50 27,81 8,75 63,44
50
10 35,93 7,34 56,73
15 35,12 7,49 57,39
25 33,41 7,83 58,76
35 31,56 8,24 60,20
50 28,45 9,06 62,49
77
Tabela 9 – Fatores de alocação para partição de cargas ambientais entre eletricidade exportada, eletricidade consumida no processo, e vapor de alta pressão (@ 80 bar).
Taxa de adição de
palha (%)
Umidade da palha (%)
Fator de Alocação
Eletricidade Exportada (%)
Eletricidade Processo (%)
Vapor de baixa pressão (%)
10
10 28,99 7,25 63,76
15 28,79 7,29 63,92
25 28,36 7,36 64,28
35 27,92 7,45 64,63
50 27,22 7,62 65,16
20
10 31,34 7,23 61,43
15 30,93 7,30 61,77
25 30,13 7,44 62,43
35 29,31 7,61 63,08
50 27,95 7,94 64,11
30
10 33,50 7,21 59,29
15 32,96 7,30 59,74
25 31,83 7,52 60,65
35 30,62 7,77 61,61
50 28,65 8,26 63,09
40
10 35,53 7,19 57,28
15 34,85 7,31 57,84
25 33,41 7,59 59,00
35 31,88 7,91 60,21
50 29,31 8,57 62,12
50
10 37,43 7,17 55,40
15 36,62 7,32 56,06
25 34,91 7,65 57,44
35 33,07 8,06 58,87
50 29,98 8,86 61,16
78
Tabela 10 – Fatores de alocação para partição de cargas ambientais entre eletricidade exportada, eletricidade consumida no processo, e vapor de alta pressão (@ 100 bar).
Taxa de adição de
palha (%)
Umidade da palha (%)
Fator de Alocação
Eletricidade Exportada (%)
Eletricidade Processo (%)
Vapor de baixa pressão (%)
10
10 30,22 7,13 62,65
15 30,02 7,16 62,82
25 29,59 7,24 63,17
35 29,15 7,32 63,53
50 28,45 7,49 64,06
20
10 32,57 7,10 60,33
15 32,17 7,17 60,66
25 31,37 7,31 61,32
35 30,55 7,48 61,97
50 29,19 7,81 63,00
30
10 34,75 7,07 58,18
15 34,20 7,17 58,63
25 33,07 7,38 59,55
35 31,87 7,63 60,50
50 29,90 8,11 61,99
40
10 36,77 7,05 56,18
15 36,09 7,17 56,74
25 34,66 7,44 57,90
35 33,13 7,77 59,10
50 30,57 8,42 61,01
50
10 38,67 7,02 54,31
15 37,87 7,17 54,96
25 36,17 7,51 56,32
35 34,35 7,90 57,75
50 31,24 8,70 60,06
79
4.3.4 Método de Avaliação de Impactos e Categorias de Impacto Ambiental
A avaliação de impacto foi conduzida a partir da aplicação do método ReCiPe
midpoint (H) v1.12 (GOEDKOOP et al, 2013). Para levar adiante a referida avaliação, foram
selecionadas as seguintes categorias de impacto: Mudança Climática (CC), Acidificação
Terrestre (TAc), Eutrofização Aquática (FEu), além da Formação de Oxidante Fotoquímica
(POF) e Formação de Material Particulado (PMF). A opção por tais recortes da matéria
ambiental foi decidida em função das particularidades do objeto de estudo, assim como, do
caráter da análise.
80
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1 Análise termodinâmica
A análise do desempenho termodinâmico foi conduzida por meio da comparação entre
os principais indicadores de desempenho de cada cenário. Tal como já foi detalhado antes,
estes índices foram obtidos para distintas condições de pressão de operação da caldeira (P),
taxa de adição de palha (A) e teor de umidade dessa biomassa (u).
Os totais de eletricidade excedente (Ee) que foram calculadas a partir das equações Eq
25 a Eq 32 para variadas condições de operação do ciclo Rankine aparecem descritos a seguir
na Tabela 11. O perfil de distribuição demonstrado por aqueles resultados leva a concluir que
Ee não guarda uma relação de linearidade com as variações de (Pi, Aj, uk) que foram testadas
nesta análise. Isso se deve ao fato já reportado de os consumos de eletricidade ocorridos na
destilaria se manterem constantes para uma produção fixa de etanol (que para o caso presente
foi definida como sendo de 10 t), ao mesmo tempo que a energia total (ET) produzida
aumenta com a adição de biomassa, mais especificamente, de palha, mesmo que está
apresente teores de umidade mais elevados. O consumo de energia térmica do processo
permanece também inalterado em todos os cenários, mais uma vez em virtude da fixação do
volume produzido de etanol. Tal como aparece descrito na seção 4.2.1 o montante adotado
para este parâmetro no caso presente foi de 400 kg/tc (ou seja, 272,0 kWh/tc quando expresso
na forma de conteúdo energético de vapor saturado @ 2,5 bar e x = 1,0).
81
Tabela 11 – Eletricidade Excedente gerada em cada cenário de análise
Cenário Palha (%) Umidade da palha (%)
Eletricidade (MWh/FR)
20 bar
Eletricidade (MWh/FR)
45 bar
Eletricidade (MWh/FR)
67bar
Eletricidade (MWh/FR)
80 bar
Eletricidade (MWh/FR)
100bar
I 10
10 10,5 14,8 17,5 18,8 19,9
15 10,3 14,6 17,3 18,6 19,8
25 10,1 14,2 16,9 18,2 19,4
35 9,8 13,9 16,6 17,9 19,0
50 9,3 13,4 16,0 17,3 18,4
II 20
10 12,1 16,7 19,7 21,1 22,3
15 11,8 16,4 19,3 20,7 21,9
25 11,2 15,7 18,6 19,9 21,2
35 10,7 15,1 17,9 19,2 20,4
50 9,8 14,0 16,7 18,0 19,2
III 30
10 13,7 18,6 21,8 23,4 24,7
15 13,3 18,2 21,3 22,8 24,1
25 12,5 17,2 20,2 21,7 23,0
35 11,6 16,2 19,1 20,6 21,8
50 10,3 14,6 17,4 18,8 20,0
IV 40
10 15,3 20,6 24,0 25,6 27,1
15 14,8 19,9 23,3 24,9 26,3
25 13,7 18,6 21,9 23,4 24,8
35 12,5 17,3 20,4 21,9 23,2
50 10,7 15,2 18,1 19,5 20,7
V 50
10 16,9 22,6 26,2 27,9 29,4
15 16,2 21,7 25,3 27,0 28,5
25 14,9 20,1 23,5 25,1 26,5
35 13,4 18,4 21,7 23,2 24,6
50 11,1 15,8 18,8 20,3 21,5
82
5.2 Análise Ambiental - Inventários de Ciclo de Vida – ICVs
Como não poderia deixar de ser, a análise ambiental seguiu as mesmas orientações que
foram estabelecidas para a análise energética. Assim, também nesse caso foram investigados
cento e vinte e cinco cenários dado que cogeração variou suas características no que se refere
a correntes materiais e energéticas de entrada e saída. Para essas últimas inclusive, as
oscilações ocorreram tanto em termos de fluxos elementares na forma de emissões, como de
produto (Ee).
Aparecem descritos nas seções que se seguem os Inventários de Ciclo de Vida (ICVs)
mais relevantes para a composição dos modelos de sistema de produto que suportaram a
análise de desempenho ambiental. Junto de cada conjunto estão indicadas premissas gerais e,
quando coube, também considerações específicas que orientaram a elaboração do respectivo
ICV.
5.2.1 Produção de cana-de-açúcar
O inventário da produção de cana-de-açúcar aparece representado na Tabela 12. Este
foi construído a partir de uma parceria com o Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia
do Bioetanol (CTBE). Para a elaboração deste ICV foram estabelecidas as seguintes
premissas:
• Fonte dos dados: secundários;
• Cobertura Temporal: 2008 a 2011. A exceção ocorreu quando se fez uso do banco de
dados, visto que este representa realidades anteriores à cobertura temporal deste ICV;
• Cobertura Geográfica: estado de São Paulo. Qualquer variação de ordem geográfica
foi introduzida por conta do uso de banco de dados;
• Cobertura Tecnológica: mix das formas manual e mecanizada, tanto para plantio
quanto para colheita.
No que se refere aos fertilizantes minerais, a análise baseou-se em dados obtidos junto
a Seabra et al (2011). De acordo com essa fonte as demandas nutricionais médias por hectare
de cana-de-açúcar cultivada durante uma safra [/(ha. ano)] que esteja instalada no estado de
São Paulo são respectivamente: amônia = 8,12 kg; ureia = 134 kg; nitrato de amônio = 31,3
kg; fosfato de monoamônio (MAP) = 6,27 kg; superfosfato simples (SSP) = 186 kg; e cloreto
de potássio (KCl) = 115 kg. Os autores mencionam também que para as mesmas condições de
análise, serão consumos corretivos na forma de calcário e gesso à razão 2,00 e 1,00 t/(ha.ano),
respectivamente.
83
Tabela 12 – Aspectos ambientais associados à produção de 1,0 t de cana-de-açúcar para as condições de processamento agrícola exercitadas no Estado de São Paulo
Entradas/saídas Quantidade Unidade
Entradas
Transformação, de pasto em prado, extensivo 10,6 m2
Transformação, de arável, não irrigado 118 m2
Transformação, para arável, não irrigado 128 m2
Ocupação, arável, não irrigado 110 m2a CO2, do ar 653 kg
Emissões para o ar CO2, de mudança de uso da terra 59,4 kg VOC, compostos orgânicos voláteis 442 g
CO, biogênico 5,81 kg
NOx 96,0 kg
Particulados, < 10 um 493 g Particulados, < 2.5 um 12,1 kg
SOx 25,0 g
N2O 40,0 g
CH4, biogênico 171 g NH3 134 g
NH4+ 159 g
CO2 9,57 kg
CH4 2,95E-04 kg SO2 2,40E-03 kg
C6H6 1,64E-02 kg
Cd 2,30E-05 kg
Cr 1,13E-04 kg Cu 3,83E-03 kg
Ni 1,58E-04 kg
Se 2,30E-05 kg
Zn 2,25E-03 kg Benzopireno 6,80E-05 kg
CxHy 7,42E-03 kg
CO 1,25E-02 kg
NMVOC (VOC não- metânicos) 6,76 kg CxHy, não especificados 8,90E-05 kg
Particulados, não especificados 4,30E-05 kg
Emissões para água Nitrato (NO3
-) 1,55E-01 kg
Emissões para o solo Carbofuran 5,40E-03 kg Diuron 1,20E-03 kg
Fipronil 5,16E-04 kg
Glifosate 3,00E-03 kg
Hexazinona 3,66E-04 kg Imazapic 1,57E-03 kg
Tebutiuron 1,29E-03 kg
Etil-trinexapac 1,12E-03 kg
Cd 10,4 kg Cu 131 kg
Zn 546 kg
Pb 222 kg
Ni 120 kg Cr 158 kg
84
Quanto aos agroquímicos, foram selecionados produtos de uso regular no controle de
pragas e doenças de lavouras desenvolvidas em São Paulo. De acordo com Sugawara (2012)
as dosagens destes, uma vez mais [/(ha.ano)] e em termos dos respectivos princípios ativos
são: Fipronil = 200g; Carbofuran = 2,10 kg; Glifosato = 1,30 kg; Etil-trinexapaque = 250g;
além de Diuron = 490g; Tebutiuron = 500g; Hexazinona = 140 g; e Imazapique = 175g.
Admitiu-se neste estudo que todos os resíduos industriais gerados na etapa industrial
do processamento de etanol como vinhaça, torta de filtro e cinzas, são reaproveitados no
campo. A área coberta com esses resíduos depende da disponibilidade de cada material; as
dosagem de aplicação, e porcentagem da área total de cada um foram estimadas por Sugawara
(2012) como sendo: Torta de filtro: 5,00 t/(ha.ano) e 11,2% da área total; Vinhaça: 100
kg/(ha.ano) e 51,8% da área total; e Cinzas: 5,00 t/(ha.ano) e 8,4% da área total.
Esta modelagem admite por premissa o aproveitamento integral da palha, seja este
para cogeração de eletricidade, ou na proteção/cobertura do solo agricultável. Assim,
quaisquer práticas envolvendo queima prévia dos canaviais foram desconsideradas. Dessa
forma, cada 1,00 t cana-de-açúcar gera 140 kg de palha (base seca). Admitindo-se a título de
exemplificação que up = 15% (uma das possibilidades examinadas pelo estudo) chega-se à
produção de exatos 164,7 kg palha úmida. Se a metade desse total for reaproveitada pela
cogeração (ou seja: A = 50% que corresponde a outra das possibilidades verificadas pelos
estudo), exatos 82,35 kg palha serão enfardados e transportados para a usina enquanto,
logicamente, uma quantidade igual a esta permanece no campo.
Os consumos e emissões relativos à etapa agrícola de produção de cana se mantiveram
constantes em todos os cenários. O mesmo ocorreu em termos de captura de CO2 do ar, que
segundo Frischknecht e Jungbluth (2007), deve ser inventariada para expressar a taxa de
retirada de carbono do ambiente. Como estimativa desse valor adotou-se o dado
disponibilizado por CGEE (2008), de 653 kgCO2/tc. As emissões para o ar ocorreram devido
a queima de diesel nos maquinários agrícolas; oxidação de fertilizantes, oxidação de calcário,
oxidação de resíduos industriais e uso do solo. De acordo com Franco (2008), o conteúdo total
de nitrogênio na palha deixada no campo é de 0,48% (base seca). Já a palha enfardada e
transportada até a usina tem emissões variáveis em função da quantidade e do teor de umidade
em está será adicionada ao sistema de cogeração. Estes valores serão apresentados mais
adiante.
85
As emissões para a água de compostos de P e K foram desconsideradas. Essa decisão
está baseada na consideração de Sugawara (2012) de que essas perdas, quando ocorrem, são
quase que desprezíveis em razão de os solos brasileiros apresentarem teor elevado de acidez
(4,0 < pH < 5,2). No entanto, o mesmo autor reporta que uma perda de 5,0% do N aplicado
como ureia é convertido para nitrato, que acaba sendo lixiviado para águas subterrâneas. São
fontes de emissões para o solo os metais pesados associados a corretivos e fertilizantes
minerais, e os ingredientes ativos dos pesticidas. De acordo com Jungbluth (2007), não há
acumulo de qualquer ingrediente ativo de agroquímico na cana e, portanto, as quantidades
integrais dessas dosagens serão emitidas para o solo.
5.2.2 Tratamentos preliminares e transporte de cana-de-açúcar e palha
Nesse trabalho, adotou-se como procedimentos de tratamento e transporte de cana e
palha a rota proposta por Hassuani (2005). Nesse caso, a cana é picada e transportada durante
a colheita, ao passo que a palha a ser usada na cogeração será enfardamento no campo, e
transporte nessas condições, para apenas depois, já na destilaria, ser moída antes de se
misturar ao bagaço. Outro desdobramento desse arranjo é o fato de que cana e palha são
transportados separadamente. Em termos de distância de deslocamento, admitiu-se um trajeto
de 32,3 km entre o campo e a destilaria. Esse dado foi determinado por Sugawara (2012) e
refere-se à média de tais distâncias para os principais municípios produtores de cana-de-
açúcar em São Paulo. Por fim, as emissões associadas a essa etapa foram contabilizadas
utilizando o banco de dados do Ecoinvent, ‘Transport, lorry 16-32t, EURO4/RER U’
(JUNGBLUTH, 2007).
5.2.3 Tratamento e moagem de cana-de-açúcar
Ao chegar à planta industrial a cana é descarregada sobre mesas alimentadoras após o
que será desfibrada para facilitar a extração do caldo. Durante a moagem, a cana passa por um
conjunto de rolos de esmagamento, denominados ternos, cuja ação separa o caldo primário
(que segue para produção de etanol) do bagaço (encaminhado para a caldeira). Esse processo
é facilitado pela adição de água de imbibição. No modelo elaborado para representar a
moagem da cana, admitiu-se uma taxa de água de imbibição de 300 kg/tc. Este desempenho
foi determinado tendo em vista os resultados descritos em Pistore (2004) e Elia Neto (2009).
86
Procedimento semelhante foi adotado na quantificação do consumo de eletricidade.
No entanto, neste caso as informações disponíveis na literatura (PISTORE, 2004; CORTEZ,
2010; e DIAS et al 2011) induziram a adoção de um dado agregado para representar este
parâmetro. Nesses termos, estabeleceu-se em 17 kWh/tc o valor da demanda elétrica total das
atividades de recebimento e preparo da cana (incluindo-se a moagem) para obtenção de caldo
e bagaço. Deve-se ainda ressaltar que esta necessidade é suprida pelo sistema de cogeração.
Por fim, a moagem da cana é um processo multifuncional. A situação foi tratada por
meio do procedimento de alocação por critério físico (massa). Em virtude dessa decisão,
coube ao caldo o equivalente a 78,5% das cargas ambientais pregressas e geradas na referida
etapa; a parcela remanescente foi atribuída ao bagaço. A referida partição admitiu que todo
bagaço gerado na moagem seria consumido pela cogeração da planta.
5.2.4 Produção de etanol hidratado
Assim como ocorreu com o subsistema da produção de cana-de-açúcar, também o ICV
de produção de etanol anidro foi construído a partir de dados secundários. Além disso, o
estudo considerou apenas a produção de etanol de 1ª geração (1G), obtido a partir dos colmos
da cana. A fim de proporcionar uniformidade aos dados, a Cobertura Geográfica
compreendeu também o estado de São Paulo. Já a Cobertura Temporal levou em conta dados
médios de produção do período 2004 – 2010, enquanto a Cobertura Tecnológica dispôs sobre
rotas processuais típicas de destilarias autônomas. Os dois subprodutos vinhaça e torta de
filtro não saem da fronteira do sistema sendo utilizados na etapa de produção de cana.
Pistore (2004), Dias et al (2009 e 2011) estimam em 13 kWh/tc o consumo agregado
de eletricidade dessa etapa do processo. Sob esse total figuras demandas associadas à
fermentação, destilação e retificação de etanol, bem como aqueles que ocorrem no ciclo de
cogeração. Além disso, foram incorporadas ao ICV emissões de CO2 biogênico provenientes
da fermentação.
Se analisado de maneira agregada como ocorreu para efeito de elaborado do modelo, o
conjunto de operação que compreende a conversão de caldo em etanol se transforma também
em um subsistema multifuncional. Assim como já fora apontado na seção 4.3.3 esta também
foi tratada por alocação mássica, por conta do que foram atribuídas as seguintes participações
87
aos produtos dela emanados: etanol: 4,86%; condensado de retorno: 26,5%; vinhaça 66,7%; e
torta de filtro 1,92%.
A Tabela 13 apresenta o ICV consolidado da produção de 1,0 t de etanol hidratado.
Tabela 13 – Inventário produção de 1,0 t de etanol (99,5%v/v)
Entradas/saídas Quantidades Unidades
Entradas
Caldo de cana 1,03 t
H2SO4,(l) 501 kg
Calcário hidratado 825 g
Óleo lubrificante 14,0 g
Ciclohexano 70,3 g
Compostos químicos inorgânicos 7,96 kg
Água industrial 38,4 kg
Saídas
C2H6O(99,5%v/v) 66,0 kg
Torta de filtro 26,1 kg
Vinhaça 906 kg
Condensado 360 kg
Emissão para o ar
CO2, biogênico 1,02 kg
C2H6O 2,01 g
5.2.5 Enfardamento da Palha
Hassuani (2005) testou diferentes estratégias de acondicionamento e transporte da
palha e concluiu ser possível recuperá-la para uso como fonte de energia caso o enfardamento
seja realizado com equipamentos adequados. Nesse caso o autor estima haver um consumo
médio de 1,90 L diesel por tonelada de palha (tp) enfardada (up = 15%).
A indisponibilidade de dados mais precisos sobre emissões atmosféricas geradas em
decorrência dessa operação fez com que os fatores de emissão para a queima de diesel em
88
máquinas agrícolas, obtidos de Nemecek e Käji (2007) e Sugawara (2012) fossem também
adotados nesse caso. Esses valores são apresentados mais adiante na Tabela 14.
5.2.6 Transporte da palha
Assim como já havia sido comentado na seção 5.2.2, cana e palha são transportadas
das mesmas origens (zona rural) aos mesmos destinos (planta industrial). Por conta disso,
todas as premissas estabelecidas para modelagem do deslocamento da cana, são válidas
também para o caso presente; quais sejam: (i) a distância percorrida L = 32,3 km; (ii) as
emissões atmosféricas são representadas por dados secundários coletados do banco de dados
do Ecoinvent para o modal de transporte ‘Transport, lorry 16-32t, EURO4/RER U’
(JUNGBLUTH, 2007).
Tabela 14 – Fatores de emissão para a queima de óleo diesel em maquinários agrícolas.
Emissão para o ar
Quantidade (g/kg de diesel)
CO2, fóssil
3,12E03
CH4, fóssil
1,29E-01
N2O
1,20E-01
NH3 2,00E-02
SO2 1,01
C6H6 7,30E-03
Cd
1,00E-05
Cr
5,00E-05
Cu
1,70E-03
Ni
7,00E-05
Se
1,00E-05
Zn
1,00E-03
Benzopireno
3,00E-05
PAH, Hidrocarbonetos aromáticos policíclicos
3,29E-03
CxHy, não especificado
3,00
CO, fóssil
5,40
NOx 42,5
Fonte: Nemecek e Käji (2007); Sugawara (2012)
89
5.2.7 Moagem da palha
A palha que chega a destilaria deve ser picada antes de ser alimentada à fornalha da
caldeira (Hassuani, 2005). A ausência de dados mais precisos sobre o consumo de eletricidade
que é dispensado nessa operação fez com que uma conduta conservadora fosse adotada nesta
situação. Assim, assumiu-se que a potência consumida na moagem equivale a potência
nominal do equipamento de 68,3 kWh/tp (ou 5,60 kWh/tc) (GUERRA, 2014). Ressalte-se que
a demanda elétrica do moinho será também fornecida pela cogeração.
5.2.8 Cogeração
A cogeração também é multifuncional. Dela emanam quatro produtos: (i) eletricidade
excedente disponível para exportação; (ii) eletricidade utilizado processo; (iii) vapor saturado
(@ 2,5 bar e x = 1,0), também empregado como fonte energética (térmica) na produção de
etanol; e (iv) cinzas, que retornam ao campo para complementação de teores de metais no
solo. Assim, tal como já havia ocorrido em outras situações, optou-se pela alocação para
repartição das cargas ambientais. A indisponibilidade de dados econômicos remeteu a escolha
do critério a propriedades físicas. No entanto, dadas as diferentes características desses
produtos, não se encontrou uma solução que pudesse contemplar a todos. Diante dessa
constatação aplicou-se o critério de conteúdo energético para a distribuição de cargas e assim,
as cinzas acabaram sendo automaticamente isentadas de quaisquer consumos e emissões.
Muito embora a decisão resultasse em uma exclusão, os produtos que de fato detêm
contribuições efetivas em termos de desempenho ambiental acabaram por ser contemplados a
partir da escolha.
Nunca é demais ressaltar que cada cenário avaliado possui um potencial específico de
geração dos produtos e consumo de água. Esses dados foram estimados via análise energética
para cada condição (Pi; Aj; uk). Os resultados obtidos incorporados ao modelo que verificou o
desempenho impacto ambientais.
As emissões atmosféricas da queima do bagaço na caldeira foram estimadas a partir
dos fatores de emissão obtidos de Greet (2010). Os valores adotados nesse caso (/kg bagaço)
foram: CO = 560 mg; NOx = 540 mg; N2O = 30,0 mg; SOx = 29,0 mg; CH4 = 25,0 mg; VOC
= 38,0 mg; Particulados (φap< 10 µm) = 62,0 mg; e Particulados (φap< 2,5µm) = 31,0 mg.
90
Para as emissões decorrentes de queima de palha foram considerados os mesmos
fatores de emissão do bagaço. No entanto, estes foram corrigidos em função das variações de
(uk). A Tabela 15 traz um exemplo de ICV da cogeração para o caso em que (P = 20 bar; A =
10%; e u = 10%).
Tabela 15 – Inventário do sistema de cogeração para: P = 20 bar, a = 10 % palha, u = 10%
Entradas/saídas Quantidade Unidade
Entradas
Bagaço 280 kg
Palha 15,5 kg
Água deionizada 19,5 kg
Água industrial 550 kg
Condensado (procedente da destilaria) 360 kg
Emissão para o ar
CO2, biogênico 251 kg
CO 7,87E-02 kg
NOx 8,39E-02 kg
N2O 5,30E-04 kg
SOx 4,20E-03 kg
CH4, biogênico 3,24E-02 kg
VOC, compostos orgânicos voláteis 5,48E-03 kg
Particulados, < 10 um 8,88E-02 kg
Particulados, < 2.5 um 4,44E-02 kg
Emissão para o solo
C (proveniente da combustão do bagaço) 1,75E-01 kg
C (proveniente da combustão da palha) 2,73E-02 kg
91
5.3 Avaliação de Impactos
A avaliação de impactos corresponde em termos efetivos, a verificação do
desempenho ambiental da cogeração de eletricidade a partir de sucessivas adições de palha
em uma destilaria autônoma de etanol. Tal como aparece descrito na seção 4.3.4 esta etapa
metodológica da ACV foi cumprida utilizando-se o método ReCiPe Midpoint (H) – versão
1.12 (GOEDKOOP et al, 2013), para as categorias de impacto de Acidificação Terrestre,
Eutrofização Aquática, Formação de Oxidante Fotoquímica e de Material Particulado, e
Mudança Climática.
O principal objetivo dessa investigação foi conhecer quais as tendências em termos de
comportamento de um determinado Impacto Ambiental (IAn), diante de diferentes situações
de operação do ciclo Rankine, a serem definidas em função de mudanças na (i) pressão do
vapor de saída da caldeira, (ii) taxa de adição de palha e (iii) grau de umidade da palha. Em
termos algébricos, esse propósito pode ser sintetizado pela equação (Eq 33)
ΔIAn = f(Pi; Aj; uk) (Eq 33)
Os resultados são discutidos em relação a quantidade de eletricidade excedente (Ee).
No entanto, diante da variabilidade apresentada pelo sistema em termos de quantidade de
energia gerada (ET) (ver resultados da Tabela 11), optou-se por realizar a verificação dos
impactos com relação a esse parâmetro em termos específicos [/(MWh exportado) = /(MWhe)].
Os resultados obtidos estão descritos na forma das superfícies que compõem os
Gráficos de 5 a 14. A análise foi realizada em dois níveis. O primeiro deles remete a
abordagem descrita em Eq 33, em que os eixos são ocupados pelos parâmetros que impõem
variações a cogeração (Pi; Aj; uk) e as tendências de impacto se desenvolvem na forma do
código de cores que distingue cada plano. O segundo nível altera aquela lógica ao colocar
ΔIAn em um dos eixos, e deslocar Pi para cada um dos planos. Com tal estratégia esperava-se
poder proporcionar ao leitor do estudo recortes distintos em termos de tendências de
integração estabelecida entre impactos ambientais e parâmetros de processo.
5.3.1 Acidificação Terrestre (TAc)
Os resultados indicados no Gráfico 5 confirmam uma expectativa que, de certa forma,
já poderia ser esperada. Os menores impactos ambientais de 365 kg SO2eq/(MWhe) foram
registrados para as condições mais favoráveis de operação do sistema: Pi = Pmáx = 100 bar;
92
Aj = Amáx = 50%; uk = umín = 10%. Para essa condição registram-se os impactos mais elevados
de TAc em termos absolutos.
Por outro lado, nas mesmas condições a quantidade de energia exportada Ee = Ee,máx
amortecendo os efeitos adversos quando esses são mensurados em termos específicos. Tal
inter-relação fica ainda mais evidente para o caso oposto, em que o sistema opera com (Pi =
Pmín = 20 bar; Aj = Amín = 10%; uk = umáx = 50%). Nessa situação Ee = Ee,mín; no entanto, não
se observa um decréscimo de impacto equivalente a essa produção. Assim, os valores de TAc
alcançam 599 kg SO2eq/(MWhe) muito próximo ao limite superior da escala.
Gráfico 5 – Pressão vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para TAc
Outra constatação importante é a de que os valores de TAc são muito mais sensíveis a
variações de Aj e uk quando P1 = 20 bar. Esse fenômeno mostra-se mais atenuado nos
patamares seguintes (na faixa que compreende P2 = 45 bar e P3 = 67 bar). Já para pressões
93
elevadas, a partir de P4 = 80 bar, os impactos como TAc mostram uma tendência de
convergência.
Nesse caso, o efeito da pressão se faz notar apenas nas situações mais extremas quanto
à adição de palha (A1 = 10%) e teor de umidade (u5 = 50%). Essa leitura fica mais clara
quando o desempenho do sistema de produto é observado segundo o arranjo descrito no
Gráfico 6.
Gráfico 6 – TAc vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para diferentes pressões
No caso de baixas pressões de operação do sistema os impactos decorrentes da etapa
agrícola passam a se fazer notar de maneira mais expressiva. Para condições de operação da
cogeração nas quais 20 < Pi (bar) < 45 predominam as contribuições decorrentes de emissões
atmosféricas de NOx as quais são originárias da decomposição de adubos nitrogenados no
solo durante o cultivo da cana-de-açúcar.
Como a quantidade de etanol se manteve constante ao longo de toda a análise,
quaisquer contribuições advindas da etapa agrícola se mantiveram igualmente inalteradas. No
entanto, seus aportes ao total de impactos de TAc são mais evidentes a baixas pressões
20 bar
45 bar
67 bar 80 bar
100 bar
94
justamente em virtude de ali se registrarem os menores valores de Ee que o sistema pode
alcançar.
5.3.2 Eutrofização Aquática (FEu)
Os Gráficos 7 e 8 descrevem o comportamento de FEu em função de variações de Pi,
Aj e uk. Também neste caso o desempenho ambiental é bastante influenciado pela pressão do
vapor de alta pressão que deixa a caldeira sobretudo quando Pi� Pmín (que nesta análise
refere-se a P1 = 20 bar).
Tal como já ocorrera com TAc, a maior intensidade de impacto provocado pelo
sistema com relação a FEu foi de 151 g P eq/MWhe. Este patamar foi alcançado exatamente na
situação em que o sistema operava em (P1 = 20 bar; A1 = 10%; u5 = 50%), atingindo o nível
mais discreto em termos de exportação de eletricidade Ee = 9,3 MWhe (Tabela 11).
Gráfico 7 – Pressão vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para FEu
95
Observando o fenômeno no que se refere a tendências é possível perceber que a
relação FEu = f (Pi) guarda grande semelhança com àquele apresentado por TAc. Conforme a
pressão do sistema se eleva o impacto totalizado converge para uma faixa restrita. Ao ser
atingido limite de Pmáx (P5 = 100 bar) estes se distribuem entre 81 < FEu (g P eq/MWhe) < 92,
ou seja, com uma variação de apenas 13% entre as condições extremas do par (Aj;uk) que são
(A1;u5) e (A5;u1).
A etapa industrial, da qual a cogeração é parte integrante, não emite qualquer
precursor de FEu para o meio ambiente. Portanto, as contribuições para essa categoria
procedem em sua totalidade da etapa agrícola, ou da produção de ativos que por ela são
utilizados. Os efeitos na forma de FEu que o sistema de produto aporta decorrem de
lançamentos de fosfatos (PO43-) para a água. Estes são introduzidos no processamento
agrícola da cana por meio de dosagens de SSP e MAP para suprir as necessidades de fósforo
da cultura.
As perdas de PO43- representam 99% da contribuição para esta categoria; no entanto,
em termos absolutos, estas se mantêm inalteradas para quaisquer dos casos analisados já que a
produção de etanol é constante por premissa. Disso conclui-se que a variação de impacto
antes observada, cuja medida é feita em termos relativos, está ligada em verdade à oscilação
de Ee, esta sim, intimamente vinculada à pressão de operação do ciclo Rankine.
Gráfico 8 – FEu vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para diferentes pressões
20
45
67 80
100
96
5.3.3 Formação de Oxidante Fotoquímico (POF)
Os Gráficos 9 e 10 descrevem o perfil de variação de POF em função de modificações
na quantidade de energia elétrica exportada. Para este caso percebe-se mais uma replicação
dos comportamentos antes demonstrados por TAc e FEu quando alterações de pressão (ΔPi)
exercem maior influência sobre o desempenho específico do sistema do que podem causar
ΔAj e Δuk.
Gráfico 9 – Pressão vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para POF
O melhor desempenho do sistema, de 508 kg NMVOC/MWhe foi registrado
exatamente em (P5 = 100 bar; A5 = 50%; u1 = 10%) quando Ee = Ee,máx = 29,4 MWhe, ao
passo que a maior intensidade de efeitos adversos nesta categoria, 1,03 t NMVOC/kWhe se
dá, como não poderia deixar de ser, na condição oposta, de Ee = Ee,mín. A variação entre
ambos os limites nesse caso foi expressiva, atingindo pouco mais de 102%.
97
Gráfico 10 – POF vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para diferentes pressões
Uma análise mais detida da questão expõe certas peculiaridades da conduta do sistema
no que se refere à relação POF = g (Pi). Realizou-se uma análise comparada, na qual a pressão
do sistema oscilou, mas foram mantidas constantes e nos níveis mais desfavoráveis, as
condições de dosagem de palha e umidade (ou seja: Pi; A1; u5).Os impactos totais para POF
estão indicados na Tabela 16, assim como as variações relativas entre aqueles resultados.
Tabela 16 – Análise da influência da pressão de operação do sistema sobre POF
Pressão (Pi, bar) POF (kg NMVOC/kWhe) Δ(%)
20 1027 –
45 797 (–) 22,4
67 696 (–) 12,7
80 657 (–) 5,60
100 626 (–) 4,72
20 bar
45 bar
67 bar 80 bar
100 bar
98
A análise de convergência cujos resultados constam da Tabela 16 indica não apenas a
inexistência de linearidade na relação POF = g (Pi), mas que, a partir de P3 = 67 bar as
variações de impacto podem ser consideradas discretas o suficiente para inclusive sugerir uma
tendência de constância, sobretudo se nessa digressão fossem levadas em conta incertezas
associadas aos dados, à modelagem, e até à forma de aplicação da metodologia – em
particular, na abordagem dos processos multifuncionais – que cercam o estudo. Como um
desdobramento imediato disso, pode-se concluir que para a operação do ciclo Rankine em
níveis de pressão tais que Pi ≥ P3, considerados de porte médio para as escalas em que o
sistema tem potencial para operar, têm-se que POF � k (constante).
Tal como já havia ocorrido com TAc as emissões atmosféricas de NOx representam a
principal fonte de impacto para POF. Para quaisquer pressões analisadas a contribuição dessa
carga ambiental esteve em torno de 93%. Essa constância em termos relativos está justificada
devido as perdas de NOx se concentrarem quase que integralmente no processamento
agrícola, em decorrência de degradação de fertilizantes nitrogenados no solo. Uma
contribuição residual, mas existente e variável, ocorre na caldeira, quando uma fração dos N-
compostos incorporados à biomassa é oxidada durante a combustão e no caso em que o N2 (g)
do ar segue pelo mesmo caminho.
5.3.4 Formação de Material Particulado (PMF)
O perfil de impactos do sistema quanto a PMF é bastante semelhante ao demonstrado
para POF, como pode ser constatado pelos resultados dos Gráficos 11 e 12. Isso se deve ao
fato de ambos os impactos se originarem essencialmente dos mesmos precursores: compostos
gasosos de enxofre e nitrogênio em estado gasoso (SO2, SOx e NOx). A exceção reside no fato
de que PMF incorpora a sua lista de aspectos ambientais os materiais particulados de
granulometria variada (φap< 2,5µm; 2,5 < φap (µm) < 10; e φap> 10µm).
Como a análise transcorre por premissa em uma situação na qual (i) as queimadas, que
seriam a fonte maior de emissão de partículas do sistema de produto, foram desconsideradas
e, em contrapartida, (ii) emissões de NOx se destacam em todos os cenários analisados,
constata-se uma convergência de perfis de tendência entre PMF e POF.
99
Gráfico 11 – Pressão vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para PMF
O menor nível de impacto nesse caso (163 kg PM10eq/MWhe) foi, mais uma vez,
obtido com (P5; A5; u1) enquanto o pior desempenho (348 kg PM10eq/MWhe) ocorreuem (P1;
A1; u5), projetando uma variação de 113% entre estes limites. A pressão de operação do
sistema segue detendo a maior influencia sobre o impacto acumulado. Na comparação entre
taxa de adição de palha e umidade, uk predomina sobre Aj, em termos de potencial de
intervenção no desempenho ambiental. Essa característica se havia manifestado inclusive para
os outros impacto analisados.
Uma análise de convergência foi também realizada para PMF. Esta investigação
ocorreu nos mesmos termos que aquela que fora conduzida para POF; ou seja, tomando por
referência condições de operação do tipo (Pi; A1; u5). Os resultados obtidos estão descritos na
Tabela 17, tanto em termos de impactos específicos, como de variação relativa.
100
Gráfico 12 – PMF vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para diferentes pressões
Os valores indicados na Tabela 17 reforçam a similaridade de perfil entre PMF e POF
e assim, ratificam a conclusão obtida da análise anterior, de que a partir de níveis
intermediários de pressão de operação na unidade de cogeração (Pi ≥ P3), há uma tendência de
PMF � k1.
Tabela 17 – Análise da influência da pressão de operação do sistema sobre PMF
Pressão (Pi, bar) PMF (kg PM10eq/kWhe) Δ(%)
20 348 –
45 270 (–) 22,4
67 236 (–) 12,6
80 223 (–) 5,51
100 212 (–) 4,93
Para esta situação as emissões de NOx da decomposição de adubos nitrogenados no
solo contribuem em cerca de 60% para o acumulado de impactos. Por fim, as emissões de
20 bar
45 bar
67 bar 80 bar
100 bar
101
material particulado com dimensões φap< 2,5µm e φap> 10µm que ocorrem na caldeira
geraram aportes muito discretos à performance do sistema, para a categoria em referência
5.3.5 Mudanças Climáticas (CC)
O desempenho ambiental do sistema em termos de CC manteve o mesmo diapasão do
que ocorreu antes com os demais efeitos analisados. Também nesse caso a ordem de
influência dos parâmetros em verificação manteve-se inalterada, com Pi sendo dominante
sobre uk e este, sobre Aj. Essa comprovação destaca mais uma vez o efeito de Ee sobre o
desempenho específico do sistema.
Os impactos variaram de 106% entre extremos, desde 799 kg CO2eq/MWhe obtidos em
(P5; A5; u1), até 1,64 t CO2eq/MWhe registrados para (P1; A1; u5) (Gráficos 13 e 14). A análise
de convergência também revelou tendências semelhantes às das dos outros impactos, em
termos de variações relativas para os arranjos do tipo (Pi; A1; u5). Esses resultados podem ser
vistos na Tabela 18.
Gráfico 13 – Pressão vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para CC
102
Tabela 18 – Análise da influência da pressão de operação do sistema sobre CC
Pressão (Pi, bar) PMF (kg PM10eq/kWhe) Δ(%)
20 1645 –
45 1276 (–) 22,4
67 1116 (–) 12,5
80 1051 (–) 5,82
100 1002 (–) 4,66
Destaca-se a proximidade dos desempenhos alcançados para P4 = 80 bar e P5 = 100
bar, cujo valor de Δ = 4,66% foi o menor registrado em toda a análise. Esse resultado
descreve o grau de constância de impactos como CC quando Pi ≥ P4. No entanto, não se pode
desprezar também o resultado que envolve a faixa anterior de medição (entre P3 e P4), na qual
Δ = 5,82%. Ao ser considerado aceitável, mesmo sendo ligeiramente superior aos obtidos
para POF e PMF, esse resultado amplia a faixa de operação do sistema até pressões
intermediárias em torno de 67 bar.
Gráfico 14 – CC vs. Adição de palha vs. Umidade da palha para diferentes pressões
20 bar
45 bar
67 bar 80 bar
100 bar
103
As principais contribuições para a categoria originam-se de emissões de CO2 de
origem fóssil (CO2,f) advindas da queima do combustível em máquinas agrícolas usadas no
preparo do solo, tratos culturais e principalmente, para a colheita que no caso presente se dá
integralmente pela via mecanizada. Registram-se também, mesmo que em menor, emissões de
CO2,f derivadas de transportes, tanto de cana e palha para a unidade industrial, como de
vinhaça, torta de filtro e cinzas para o campo.
Ao serem somadas as emissões de CO2,f respondem por aproximadamente 44% do
impacto total a despeito das condições analisadas. Isso ocorre pois, como já indicado em
outras situações, esse efeito se manifesta em uma etapa do ciclo de vida em análise que não
sofre intervenção direta da cogeração. Completam a relação de precursores de CC as perdas
para o ar de N2O procedentes de mudanças de uso do solo, e emissões de CH4 de queima
incompleta de diesel também em máquinas e caminhões.
Por fim, deve-se destacar um aspecto conceitual deveras importante. O modelo usado
para contabilização de impactos ambientais disponível no método ReCiPe segue as
orientações estabelecidas pelo Intergovernmental Panel on Climate Change (IPPC), as quais
assumem por premissa a condição de balanço nulo em termos de captação de carbono do ar, e
de emissão de carbono biogênico (CO2,b). Por essa leitura, o benefício que poderia ser
atribuído ao processo devido a elevada taxa de sequestro de carbono ar que a cana apresenta
(653 CO2 kg/tc) deixaram de ser considerados, assim os lançamentos de CO2,b que ocorrem na
caldeira devido a queima de biomassa. No caso da palha essa taxa será crescente conforma Aj
aumenta.
A decisão de usar o referido método de AICV para verificar o desempenho de CC foi
baseada no conceito que essa leitura apresenta junto á comunidade científica. No entanto, para
trabalhos futuros derivados do desenvolvimento do tema é recomendável realizar uma análise
baseada em compensação de carbono para investigar que efeitos essa abordagem produziria
nos resultados finais para a categoria.
104
6 CONCLUSÕES
Este estudo tratou de verificar o efeito de variações em termos de desempenho
ambiental na condição operacional (pressão Pi da caldeira), adição de palha (Aj), e taxa de
umidade (uk) dessa biomassa, as quais seriam provocadas no ciclo de cogeração de uma
destilaria autônoma de etanol com vistas a produzir energia elétrica em quantidade suficiente
para sua exportação.
A verificação ocorreu por meio da aplicação da técnica de ACV do tipo atribucional e
com enfoque do ‘berço-ao-portão’ para cinco categorias de impacto: Acidificação Terrestre
(TAc), Eutrofização Aquática (FEu), Formação de Oxidante Fotoquímico (POF), Formação
de Material Particulado (PMF) e Mudança Climática (CC). Foram estabelecidos cinco níveis
de intensidade para (Pi; Aj; uk), que depois de serem arranjados perfizeram cento e vinte cinco
cenários de análise. Cada condição cenário foi modelado a partir de análises termodinâmicas
de 1ª e 2ª leis. Além disso, as medições foram realizadas em termos específicos (/MWhe).
Os resultados obtidos revelaram comportamentos uniformes para todos os impactos
analisados. Como já se poderia intuir, os melhores desempenhos ocorreram para condições de
Pmáx = 100 bar, Amáx = 50% e umín = 10%, ao passo que aqueles que mais comprometeram a
performance do sistema ocorreram para Pmín = 20 bar, Amín = 10% e umáx = 50%. Verificando
esses resultados em termos de tendências, percebeu-se que Pi prevalece sobre os outros
fatores, e uk domina Aj. Isso ocorre pois Pi incide diretamente sobre a quantidade e energia
exportada (Ee).
A partir de níveis de pressão intermediários (que para o estudo, são aqueles que
superam 67 bar) ocorre um amortecimento significativo de impactos ambientais. Essa
condição define, portanto, o limite mínimo aceitável para esta variável.
Os desempenhos do sistema em termos de TAc, POF e PMF foram muito semelhantes
pelo fato de serem impostos pelo mesmo precursor: decomposição de adubos nitrogenados no
solo durante o cultivo da cana-de-açúcar. No caso de FEu, a função foi ocupada
majoritariamente por perdas de fosfatos, também ocorridas na etapa agrícola, mas nesse caso,
devido a dosagens de SSP e MAP.
Por fim, o desempenho ambiental para CC se apoia em emissões de CO2,f advindas da
queima do combustível em máquinas agrícolas usadas sobretudo na colheita, e em atividades
de transporte. A forma como foram quantificados parte do conceito de carbono neutro. Assim,
105
os benefícios proporcionados pela elevada taxa de captação de CO2 ar, bem como, da não
emissão de CO2,b não forma considerados. Este é um tema recomendável para estudos futuros.
106
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABNT - Associação Brasileira De Normas Técnicas. NBR ABNT NBR ISO 14040. Gestão
Ambiental, Avaliação do Ciclo de Vida: definição de objetivo e escopo e Analise de Inventario. São Paulo: ABNT, 2009a. _______. NBR ABNT NBR ISO 14044. Gestão Ambiental, Avaliação do Ciclo de Vida: Princípios e
estrutura. São Paulo: ABNT, 2009b. ANON. Causticization of liquor: tendencies of modern technologies and equipment. Tsellyul. Bum. Karton. 3. p. 56-59, 2005. ANP – Agência Nacional de Petróleo, Gás e Biocombustíveis. Anuário Estatístico Brasileiro do
Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis – 2013; 2014 e 2015. Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis – Rio de Janeiro: ANP. ANTON, L.; NOGUEIRA, A.R.; KULAY, L. Environmental performance analysis of cogeneration of electricity from successive additions of biomass in autonomous distiller.In:Proceedings of V CILCA –
Conferencia Latinoamericana de Ciclo de Vida.Lima.p. 218-223, 2015. BATISTA, F. Produção de bioeletricidade subiu 34% no 1º tri. Valor Econômico, 17 de abril de 2015. Disponível em: <http://www.valor.com.br>. Acessoem: 22 abr. 2015. BEEHARRY, R.P. Extended sugarcane biomass utilization for exportable electricity production in Mauritius. Biomass Bioenergy. 11(6), p. 441–449, 2006. BEEHARRY,R.P.Strategies for augmenting sugarcane biomass availability for power production in Mauritius.Biomass Bioenergy.20, p. 421-429, 2001. BNDES – BANCO NACIONAL DE DESENVOVIMENTO ECONÔMICO E SOCIAL; CGEE – CENTRO DE GESTÃO E ESTUDOS ESTRATÉGICOS. Bioetanol combustível: uma oportunidade
para o Brasil. Brasília: Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, 2009. __________.Bioetanol de cana-de-açúcar: energia para o desenvolvimento sustentável / organização BNDES e CGEE. – Rio de Janeiro: BNDES, 2008. BONOMI A, CAVALETT O, PEREIRA DA CUNHA M, LIMA MAP. Virtual biorefinery: an
optimization strategy for renewable carbon valorization. Springer International Publishing. 2016. 285p. BOTHA, F.C. Energy yield and cost in a sugarcane biomass system. Proc Aust Soc Sugar Cane
Technol. 31, p. 1-9, 2009. BRÄSCHER, F.Simulação numérica de centrais termelétricas. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 1991. CALDEIRA-PIRES, A., et al.Sustainability of the Biorefinery Industry for Fuel Production. Energies. 6, p.329-350, 2013. CARDOSO, T. F., et al. ATechnical and economic assessment of trash recovery in the sugarcane bioenergy production system. Scientia Agricolca. 70(5), p. 353-360, September/October, 2013. CAVALETT et al.Environmental and economic assessment of sugarcane first generation biorefineries in Brazil.Clean Technologies and Environmental Policy. 14, p. 399-410, 2012.
107
CAVALETT O, CHAGAS MF, SEABRA JEA, BONOMI A. Comparative LCA of ethanol versus
gasoline in Brazil using different LCIA methods. Int J Life Cycle Assess 18, p. 647–658,2013. doi: 10.1007/s11367-012-0465-0 CCEE – CÂMARA DE COMERCIALIZAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA. Disponível em: <http://ccee.org.br> Acesso em: 17 ago 2016. CGEE – CENTRO DE GESTÃO E ESTUDOS ESTRATÉGICOS. Bioetanol combustível: uma
oportunidade para o Brasil. Brasília: Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, 2009. CONAB – Companhia Nacional de Abastecimento. Acompanhamento da safra brasileira de cana-de-
açúcar. – v. 1 safra 2014/2015 – Brasília : CONAB, 2014. Disponível em: <http://www.conab.gov.br. Acesso em: 02 abr. 2015. CONAB – Companhia Nacional de Abastecimento. Acompanhamento da safra brasileira de cana-de-
açúcar. – v. 3 safra 2016/2017 – Brasília : CONAB, 2016. Disponível em: <http://www.conab.gov.br. Acesso em: 17dez. 2016. CORTEZ, L. A. B. Bioetanol de cana-de-açúcar: P&D para a produtividade e sustentabilidade. São Paulo: Blücher, 2010. 954 p. CORTINOVIS, G. F. Modelagem e otimização de um sistema de água de resfriamento e validação
experimental. 159p. Dissertação (Mestrado) – Departamento de Engenharia Química, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 2004. CTC – CENTRO DE TECNOLOGIA CANAVIEIRA, Composição da palha de cana na
usina.Disponívelem: <http://www.ctcanavieira.com.br> Acesso em: 04 set. 2014. CURRAN, M.A. (Ed). Life Cycle Assessment Handbook: A Guide for Environmentally Sustainable
Products. 1st Ed. Wiley. 2012. 640p. DANTAS, D.N.Uso da Biomassa da cana-de-açúcar para geração de energia elétrica: análise
energética, exergética e ambiental de sistemas de cogeração em sucroetanoleiras do interior
paulista.Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos/SP, 2010. DE BEER A.G., HUDSON,C. MEYER,E., SEIGMUND,B. Green cane harvesting and trash
management.International Society Sugar Cane Technologists (ISSCT); 1996; 133–141p. DIAS, M. O. S et al. Production of bioethanol and other bio-based materials from sugarcane bagasse: Integration to conventional bioethanol production process. Chemical Engineering Research and
Design. 87(9), p. 1206–1216, 2009. DIAS, M. O. S., CUNHA, M. P., JESUS, C. D., SCANDIFFIO, M., ROSELLA, C.E., MACIEL FILHO, R., BONOMI, A. Simulation of ethanol production from sugarcane in Brazil: economic study of an autonomous distillery. 20th European Symposium on Computer Aided Process Engineering, Elsevier, 2010. DIAS, M.O.S. et al. Second generation ethanol in Brazil: can it compete with electricity production? Bioresource Technology. 102, p. 8964-8971, 2011. DUFT, D. O que é cana bisada? Disponível em:<http://inteliagro.com.br/o-que-e-cana-bisada> Acesso em 23 ago 2016.
108
DUKU,M.H.,GU, S., HAGAN, E.B. A comprehensive review of biomass resources and biofuels potential in Ghana. Renew Sustain Energy Rev. 15, p.404-415, 2011. EES – ENGINEERING EQUATION SOLVER. EES® Manual. Disponível em: <https://www.fchart.com/assets/downloads/ees_manual.pdf> Acesso em 15 mar 2016 ELIA NETO, A. Manual de conservação e reuso de água na indústria sucroenergética. Agência Nacional de Águas; Federação das Indústrias do Estado de São Paulo; União da Indústria da cana-de-açúcar; Centro de Tecnologia Canavieira. Brasília, 2009. EMBRAPA – Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária. Bioeletricidade no Setor Sucroalcooleiro
Paulista: participação no mercado de carbono, perspectivas e sustentabilidade, 2009. Disponível em: <http://www.infoteca.cnptia.embrapa.br/bitstream/doc/83097/1/documentos78.pdf> ___________ Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária. Complexo Agroindustrial de Biodiesel no
Brasil: Competitividade das Cadeias Produtivas de Matérias-Primas.Brasília: Embrapa Agroenergia, 2014. 712 p. ENSINAS, A. V. Integração térmica e otimização termo-ecônomica aplicadas ao processo industrial
de produção de açúcar e etanol a partir da cana-de-açúcar. Tese (Doutorado), Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2008. EVANS, A.; STREZOV, V.; EVANS, T.J. Sustainability considerations for electricity generation from biomass. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 14, p. 1419-1427, 2010. FILHO, P.A., BADR, O. Biomass resources for energy in North-Eastern Brazil. Applied Energy. 77(1), p. 51–67, 2004. FLORIO, D. N., OLIVEIRA Jr, S (2014). Thermoeconomic analysis of combined production of electricity and second generation ethanol based on the dilute acid hydrolisis of sugarcane bagasse. International Journal of Applied Thermodynamics. 17, p. 161-171, 2014. FRANCO, H.C.J. Eficiência agronômica da adubação nitrogenada de cana planta. Tese (Doutorado). Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiros. Universidade de São Paulo. Piracicaba, 2008. FRISCHKNECHT, R.; JUNGBLUTH, N. (Ed). Overview and Methodology. Ecoinvent Report No.1. Dübendorf: 2007. GAUDREAULT, C.; SANSSON, R.; STUART, P. Energy decision making in a pulp and paper mill: selection of LCA system boundary.Int J Life Cycle Assess. 15,p. 198- 211, 2010. GIL, M.P.; MOYA, A.M.C.M.; DOMÍNGUEZ, E.R. Life cycle assessment of the cogeneration processes in the Cuban sugar industry. Journal of Cleaner Production. 41, p. 222-231, 2013. GOEDKOOP, M., et al.Description of the ReCiPe Methodology for Life Assessment Impact
Assessment. ReCiPe Main Report. Revised July 13th, 2013. Disponível: <http://www.lciarecipe.net> Acesso: em 10 fev 2015. GUERRA, J. P.; COLETA Jr., J.; ARRUDA, L.; SILVA, G.; KULAY, L. Comparative analysis of electricity cogeneration scenarios in sugarcane production by LCA. Int J Life Cycle Assess, 19, p. 814–825, 2014.
109
GUERRA, J.P.M. Avaliação de desempenhotermodinâmico e ambiental de cenários de cogeração
elétrica em usinas autônomas. 2014. 353 p. Dissertação (Mestrado) - Universidade de São Paulo, São Paulo, 2014. GUNADY M. G. A. et al. Evaluating The Global Warming Potential Of The Fresh Produce Supply Chain For Strawberries, Romaine/Cos Lettuces (Lactuca Sativa), And Button Mushrooms (In Print Agaricus Bisporus) In Western Australia Using Life Cycle Assessment (LCA). Journal of Cleaner
Production. 28, p. 81-87, 2012. HAMMERSCHLAG, R. Ethanol’s Energy Return on Investment: A Survey of the Literature 1990-Present. Environ. Sci. Technol. 40, p. 1744-1750, 2006. HASSUANI, S; REGIS, M.; CARVALHO, I. Biomass power generation: sugar cane bagasse and
trash.Piracicaba: PNUD-CTC, 2005. 217p. HUGOT, E. Manual de Engenharia Açucareira. V.1. São Paulo: Mestre Jou, 1977. JRC - European Commission - Joint Research Centre - Institute for Environment and Sustainability: International Reference Life Cycle Data System (ILCD) Handbook - General guide for Life Cycle
Assessment - Detailed guidance. 1st Ed. (2010). EUR 24708 EN. Luxembourg. Publications Office of the European Union. 2010. 417p. IBICT – Instituto Brasileiro de Informação em Ciência e Tecnologia. Desenvolvimento sustentável e
avaliação do ciclo de vida. Brasilia: IBICT: CNI, 2014. 33p. JUNGBLUTH, N. (Ed). Life Cycle Inventories of Bioenergy. Ecoinvent Report n. 17. Uster: 2007. KHATIWADA, D.; SEABRA, J.; SILVEIRA, S; WALTER, A. Power generation from sugarcane biomass - a complementary option to hydroelectricity in Nepal and Brazil.Energy. 28, p. 241-254, 2012. KIATKITTIPONG, W.; WONGSUCHOTO, P.; PAVASANT, P. Life cycle assessment of bagasse waste management options.Waste management (New York, N.Y.). 29(5), p. 1628–1633. 2009. LEAL, M.R.L.V. et al. Sugarcane straw availability, quality, recovery and energy use: a literature review.Biomass and Bioenergy. 53, p.11-19, 2013. LI, Y., CALISAL, S.M. Estimating power output from a tidal current turbine farm with first order approximation of hydrodynamic interaction between devices.Int. J. Green Energy. 7, p. 153–163, 2010. LINERO, F.A.B. Biomassa adicional para aumento da geração de eletricidade. Em: Curso de Caldeiras, Vapor e Geração de Energias Renováveis. Centro de Tecnologia Canavieira, CTC. Ribeirão Preto, SP, 2012. LORA, E.E.S., TEIXEIRA, F. N. Energia e Meio Ambiente. In: Milton Marques; Jamil Haddad; André Ramon Silva Martins. (Org). Conservação da Energia: Eficiência Energética de Instalações e
Equipamentos, v.1, p. 30-93, Itajubá: UNIFEI, 2001. LUO, L., VOET, E.V., HUPPES, G. Life cycle assessment and life cycle costing of bioethanol from sugarcane in Brazil. Renewable and Sustainable Energy Reviews.13, p. 1613–1619, 2009.
110
MACEDO I.C., SEABRA J.E.A., SILVA J.E.A.R. Greenhouse gases emissions in the production and use of ethanol from sugarcane in Brazil: The 2005/2006 averages and a prediction for 2020. Biomass
and Bioenergy. 32, p. 582-595,2008. doi:10.1016/j.biombioe.2007.12.006 MALÇA, J., FREIRE, F. Renewability and life-cycle energy efficiency of bioethanol and bio-ethyl tertiary butyl ether (bioETBE): Assessing the implications of allocation.Energy. 31(15), p. 3362–3380, 2006. MAPA – Ministério da Agricultura Pecuária e Abastecimento.Cana-de-açúcar. Brasília, 2015.Disponível em:<http://www.agricultura.gov.br/vegetal/culturas/cana-de-acucar> Acesso em 19 abr. 2015. MARTINHO, H. M. Avaliação da efetividade de arranjos tecnológicos e processuais na elhoria do
desempenho ambiental da produção de fosfato bicálcico. Dissertação (Mestrado). Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. USP, São Paulo, 156p. 2014. MAULBETSCH, J. S., DI FILIPPO, M. N. Cost and Value of Water Use at Combined-Cycle Power
Plants. California Energy Commission, PIER Energy-Related Environmental Research. CEC-500- 2006-034. 2006. MILANEZ, A.Y. et al. A produção de etanol pela integração do milho- safrinha às usinas de cana-de-açúcar: avaliação ambiental, econômica e sugestões de política. Revista do BNDES. 41, p. 147-208, 2014. MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. Balanço energético Nacional 2009 – Ano Base 2008: Resultados Preliminares. Empresa de Pesquisa Energética (EPE). Rio de Janeiro: MME/EPE, 2009. MME – Ministério de Minas e Energia. (2015) Boletim Mensal de Acompanhamento da Indústria de
Gás Natural – n. 106. Dezembro 2015. Secretária de Petróleo, Gás Natural e Combustíveis Renováveis. Brasília. Disponível em: http://www.mme.gov.br MORAN, M.J., SHAPIRO, H.N. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 4ª Ed. Rio de Janeiro: LTC Editora. 2008. MOTA, J.C. et al. Impactos e Benefícios Ambientais, Econômicos e Sociais dos Biocombustíveis: uma visão global. Engenharia Ambiental - Espírito Santo do Pinhal. 6 (3), p. 220-242, 2009. MUNIZ, V. C. F. Análise da fundamentação da avaliação do ciclo de vida consequencial. Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 73 p. 2012. NEMECEK, T., KÄGI, T.Life Cycle Inventories of Agricultural Production Systems.Ecoinvent Report n. 15. Zürich e Dübendorf: Ecoinvent. 2007. NORRIS, C. Trash Separation. Disponível em: <http://www.norrisect.com/index.php?option=com_content&view= article&id=74&Itemid=10> Acesso em: 28 jul 2011. NOVACANA. Disponível em:<http://www.novacana.com> Acesso em: 18 abr. 2015. OLIVEIRA JR., S. Exergy: Production, Cost and Renewability.Londres: Springer-Verlag London. ISBN 978-1-4471-4165-5. 2012. 338p. OLIVÉRIO, J.L.; FERREIRA, F. M. Cogeneration – a new source of income for sugar and ethanol Mills or bioeletricity – a new business. Proc. Int. Soc. Sugar Cane Technol. 27. 2010.
111
PELLEGRINI, L. F.; OLIVEIRA, J. S; BURBANO, J. C. Supercritical steam cycles and biomass integrated gasification combined cycles for sugarcane mills.Energy. 35 (2), p. 1172-1180, 2010. PELLEGRINI, l.F.; OLIVEIRA JR, S. Combined prodution of sugar, ethanol and electricity: Thermoeconomic and environmental analysis and optimization.Energy. 36, p. 3704 – 3715, 2011. PISTORE, T.T.Avaliação Técnico - Econômica e Ambiental da Eletrificação das Moendas na
Indústria Sucroalcooleira. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Itajubá. 2004. PRABHAKAR, N., RAJU, D.V.L.N.; SAGAR, R.V. Cana Trash as Fuel. Proc. Int. Soc. Sugar Cane
Technol. 27, 2010. RFA – Renewable Fossil Association. Fueling a High Octane Future. 2016 Ethanol Industry Outlook. Washington DC. 2016. 40p. Disponível em: <http://www.ethanolrfa.org/wp-content/uploads/2016/02/Ethanol-Industry-Outlook-2016.pdf> Acesso: 18 nov. 2016. RIPOLI, T. C. C. e RIPOLI, M. L. C. Biomassa de cana-de-açúcar: colheita, energia e ambiente. 2° Ed. Piracicaba: T.C.C. Ripoli, 2009. 302p. ROJAS, S. P. Contribuição do Enfoque de Ciclo de Vida da Ecologia Industrial na Economia do Meio
Ambiente. Doutorado em Economia. Tese(Doutorado) – Universidade de Brasília. 2012. SALISBURY, J.K. Steam Turbines and Their Cycles 2nd Edition. Krieger Pub Co. 1974. 670p.
SÃO PAULO. Protocolo de Cooperação:Governo do Estado de São Paulo e a União da
Agroindústria Canavieira de São Paulo para consolidaçãodo desenvolvimento sustentável da
indústria da cana-de-açúcar no Estado de São Paulo. São Paulo, 04 de junho de 2007. Disponível em: <http://www.cetesb.sp.gov.br/noticentro/2007/06/04_protocolo.pdf>.Acesso em: 25 nov. 2014. SARTORI, M.M.P.; FLORENTINO, H. O. Energy balance optimization of sugarcane crop residual biomass. Energy.32, p. 1745–1748, 2007. SEABRA, J.E.A. Avaliação técnico-ecônomica de opções para o aproveitamento integral da
biomassa de cana no Brasil.Tese (Doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2008. SEABRA, J.E.A.; MACEDO, I.C. Comparative analysis for Power generation and ethanol production from sugarcane residual biomass in Brazil. Energy Policy. 39, p. 421-428, 2011. SHLYAKHIN, P.Steam Turbines: Theory and Design. University Press of the Pacific, 2005. 248p. SIGNOR, D.; PISSIONI, L.L.M; CERRI, C.E.P. Emissões de gases de efeito estufa pela deposição de palha de cana-de-açúcar sobre o solo. Bragantia. 73(2), p. 113-122, 2014. SILVA, A. L. R. Desenvolvimento de fatores de normalização de impactos ambientais regionais para
Avaliação de Ciclo de Vida de produtos no Estado de São Paulo. São Carlos: Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 2010.
SILVA, D.A.L.; DELAI, I.;MONTES, M.L.D.; OMETTO,A.R. (2014) Life cycle assessment of the sugarcane bagasse electricity generation in Brazil.Renewable and Sustainable Energy Reviews.32, p. 532-547, 2014.
112
SILVA, G.A., KULAY, L. Disciplina PQI 5849: Fundamentos da Proteção Ambiental e Segurança
de Processos Industriais. São Paulo: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. Universidade de São Paulo, 2012. SILVA, G.A; KULAY, L.Avaliação do Ciclo de Vida. In: VILELA, A., DEMAJOROVIC, J. Modelos e ferramentas de gestão ambiental: desafios e perspectivas para as organizações. São Paulo: Editora SENAC, 2006. SINGER, J. G. Combustion, Fossil Power: A Reference Book on Fuel Burning and Steam Generation.
Combustion Engineering, Windsor, 1991. 140p. SMEETS E. et al. The sustainability of Brazilian ethanol – an assessment of the possibilities of 693 certified production. Biomass and Bioenergy. 32, p. 781-813, 2008. SOUSA, E.L.L.; MACEDO, I.C (Org.). Etanol e bioeletricidade: a cana-de-açúcar no futuro da
matriz energética. São Paulo: Luc Projetos de Comunicação, 2010. 315p. STOECKER, W. F. Design of Thermal Systems, 3rd Edition, McGraw-Hill. 1989. pg.64-65. SUGAWARA, E. T. Comparação dos desempenhos ambientais do B5 etílico de soja e de óleo diesel,
por meio da avaliação do ciclo de vida (ACV). Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 242 p., 2012. TSATSARONIS, G.; PARK, M. On Avoidable and Unavoidable Exergy destructions and Investment Costs in Thermal Systems. Energy Conversion & Management. 43, p. 1259-1270, 2002. UNEP/SETAC, L. C. Towards a Life Cycle Sustainability Assessment: Making informed choices.
United Nations Environmental Programme (UNEP). 2012. UNICA – União da Indústria de Cana-de-Açúcar. Informações sobre o setor sucroalcooleiro. Disponível em: <http://www.unica.com.br/default.asp>. Acesso em: 30 nov. 2016. VAN der VOET, E et al. Allocation Issues in LCA Methodology: A Case Study of Corn Stover-Based Fuel Ethanol. Int J Life Cycle Assess. 14, p. 529-539, 2009. VILELA, F. S. V. Avaliação do ciclo de vida da produção industrial de etanol e açúcar. Estudo de
Caso: Usina Jalles Machado S/A. Dissertação (Mestrado) - Engenharia Mecânica, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 107 p., 2013. VILELA, F. S., CALDEIRA-PIRES, A., LUZ, S. M. Economic and environmental impacts assessment along the supply chain of anhydrous ethanol from sugarcane in Brazil. In: V International
Conference on Life Cycle Assessment in Latin-America (9 p.). Mendoza, Argentina: CILCA. 2013. WEIDEMA, B.P. Environmental assessments of products: a textbook on Life Cycle
Assessment.Helsinki: The Finnish Association of Graduate Engineers TEK, 1997. 93 p.
113
APÊNDICE A
CÓDIGO ELABORADO PARA MODELAGEM DO SISTEMA DE COGERAÇÃO – CICLO RANKINE COM REAQUECIMENTO
114
1: "MODELAGEM TERMODINÂMICA DO CENÁRIO COM REAQUECIMENTO" 2: 3: "Dados da Safra" 4: 5: M_dot_cana =Cana_safra/Período_safra*1000/24[kg/h] "TaxadeMoagem de cana" 6: m_dot_bagaço=Y_bagaço/100*M_dot_cana*Utilização_Bagaço/100 "Alimentação de bagaço decana" 7: m_dot_palha=Y_palha/100*M_dot_cana*Utilização_Palha/100 "Alimentaçã o de palha decana" 8: Razão|vapor_biomassa=m_dot_vapor/m_dot_bagaço "Razão entre produção de vapor e consumo debiomassa" 9: m_bar_bagaço=m_dot_bagaço/1000 [ton/h] 10: m_bar_palha=m_dot_palha/1000[ton/h] 11: 12: "GERADOR DE VAPOR - Modelagem de conservação de matéria e energia" 13: "Balanço de massa caldeira" 14: 15: m_dot_agua=m_dot_vapor+m_dot_purga 16: m_dot_purga=Y_purga*m_dot_vapor 17:Y_purga=0,03 "Taxadepurga considerada = 3%" 18: M_bar_vapor=m_dot_vapor/1000[ton/h] 19: 20: "Balanço de massa Reaquecimento" 21: 22: m_dot_vap.reaq=m_dot_vapor "Todovaporsuperaquecido retorna para reaquecimento" 23: m_bar_vap.reaq=m_dot_vap.reaq/1000[ton/h] "Conversãoda vazão mássica de vapor de Kg/h para ton/h" 24: 25: "Balanços de energia" 26: 27: m_dot_agua*h[7]+ Q_dot_c = m_dot_vapor*h[1]+m_dot_purga*h_purga + Q_dot_reaq 28: Q_dot_c=(m_dot_bagaço*PCI_bagaço+m_dot_palha*PCI_palhaumid)*eta_c "Energia utilizada na fornecida na fornalha para evaporação daágua" 29: Q_dot_reaq=m_dot_vap.reaq*(h[9]-h[8]) 30: h[1]=enthalpy(water;T=T[1];P=P[1]): h_purga=enthalpy(water;T=T_purga;x=0) 31: P[7]=1,20*P_c: T_purga=T_SAT(water;P=P_c): P_purga=P_c: P[1]=P_c: 32: PCI_bagaço=7565:PCI_palha=12960[kJ/kg] "Poder calorífico inferior do bagaço (51% umidade)edapalha de cana (15% deumidade)" 33: PCS_palha=17000[kJ/kg] "Poder Calorífico superior dapalha" 34: PCI_palhaseca=(PCS_palha*1/4,1869-5400*Y_Hpalha/100) "Poder calorífica inferior da palha secaemkcal/kg"35: PCI_palhasec=PCI_palhaseca*4,1868 "Poder calorífico inferior da palha secaemkJ/kg"36:Y_Hpalha=6,2 "Fração de hidrogênio napalha" 37: PCI_palhaumida=PCI_palhaseca-4680*Umid_palha/100 "Poder calorífico inferior da palha úmida emkcal/kg" 38: PCI_palhaumid=PCI_palhaumida*4,1868 "Poder calorífico inferior da palha úmida emkJ/kg" 39: "Umid_palha=15[%]" " Umidade dapalha" 40:T[1]=T_SAT(water;P=P_c)+G_super "Temperatura do vaporsuperaquecido" 41: G_super=200[C] "Grau desuperaqucimento" 42: EEXP_FR=GeraçãoEletric.Espec.Excedente*m_biomassaFR/m_biomassa "Eletricidade exportadaporFluxodeReferência" 43: m_palha=(0,140*(Utilização_palha/100))/(1-(Umid_palha/100)) "Massa depalha" 44: m_bagaço=0,28 " Massa debagaço"
11545: m_biomassa=m_palha+m_bagaço "Massa debiomassa" 46: m_biomassaFR=m_biomassa*151,46925 "Massa de biomassa por Fluxo deReferência" 47: eletricidade_moerpalha=68,3*m_palha/1000 " Eletricidade usada para moer apalha" 48: 49: 50: "BOMBA 02 - ALIMENTAÇÃO DA CALDEIRA" 51:
52: P[6]=P[2] "Pressão de descarga da bomba igual a pressão dovapordeescape" 53: eta_B2=(h[6]-h7_iso)/(h[6]-h[7]) "Determinação da entalpia real da vazão de líquidonadescargadabomba" 54: h7_iso=enthalpy(water;s=s[6];P=P[7]) "Entalpia para condição idealisentrópica" 55: h[6]=enthalpy(water;P=P[6];T=T[6]) "Entalpia na saída dodesaerador" 56:s[6]=entropy(water;P=P[6];T=T[6]) "Entropia na saída do desaerador é entropia do líquidosaturado" 57: T[7]=temperature(water;h=h[7];P=P[7]) "Temperatura derecalque" 58: s[7]=entropy(water;h=h[7];P=P[7]) "Entropia da água de alimentação dacaldeira" 59: 60: "BOMBA 01 - CONDENSADO" 61: 62: P[5]=P[2] "Pressão de descarga da bomba igual a pressão dovapordeescape" 63: eta_B1=(h[4]-h5_iso)/(h[4]-h[5]) "Determinação da entalpia real do líquido na descarga dabomba" 64: h5_iso=enthalpy(water;s=s[4];P=P[5]) "Entalpia para condição idealisentrópica" 65: s[4]=entropy(water;P=P[4];x=0) "Entropia na saída do condensador - líquidosaturado" 66: T[5]=temperature(water;h=h[5];P=P[5]) "Temperatura de recalque paradesaerador" 67: h[4]=enthalpy(water;P=P[4];x=0) "Entalpia da saída do condensador é a entalpiadelíquidosaturado" 68:T[4]=T[3] "Temperatura de Entrada = temperatura de saída-->Somentetroca calorlatente" 69: P[4]=P[3] "Pressão de sucção da bomba = pressão da cauda daturbina" 70:s[5]=entropy(water;P=P[5];T=T[5]) "Entropia da água de recalque da bomba01" 71: 72: 73: "REAQUECIMENTO" 74: "Extração de vapor da turbina" 75: 76: P[8]=P[9] "Desprezadas perdas de carga no reaquecimento -ideal" 77: eta_t=(h[1]-h[8])/(h[1]-h8_iso) "Determinação da entalpia real do vapor extraído,atravésdaeficiênciaisentrópica" 78: h8_iso=enthalpy(water;s=s[1];P=P[8]) "Entalpia para condição ideal de expansãoisoentrópica" 79: T[8]=temperature(water;h=h[8];P=P[8]) "Temperatura de saída parareaquecimento" 80: s[8]=entropy(water;h=h[8];P=P[8]) 81:x[8]=quality(water;h=h[8];T=T[8]) "Título do vapor na saída parareaquecimento" 82: 83: 84: "TURBINA" 85: "Retorno de vapor da turbina" 86: 87:T[9]=T[1] "Parâmetro definido de projeto doreaquecedor" 88: s[9]=entropy(water;T=T[9];P=P[9]) 89: h[9]=enthalpy(water;T=T[9];P=P[9]) 90: 91: "Rendimento da turbina" 92:
11693: eta_t=(h[9]-h[2])/(h[9]-h2_iso) "Determinação da entalpia real do vapor extraídoparaodesaerador através da eficiênciaisoentrópica" 94: eta_t=(h[9]-h[3])/(h[9]-h3_iso) "Determinação da entalpia real do vapor extraídoparaocondensador através da eficiênciaisoentrópica" 95: h2_iso=enthalpy(water;s=s[9];P=P[2]) "Entalpia da corrente de vapor de escape para condiçãoidealdeexpansãoisoentrópica" 96: h3_iso=enthalpy(water;s=s[9];P=P[3]) "Entalpia da corrente de vapor na cauda para condiçãoidealdeexpansãoisoentrópica" 97:s[1]=entropy(water;P=P[1];T=T[1]) "Estado definido por 2 propriedadesindependentes" 98: T[2]=temperature(water;h=h[2];P=P[2]) "Temperatura do vapor deescape" 99: T[3]=temperature(water;h=h[3];P=P[3]) "Temperatura do vapor decauda" 100: s[2]=entropy(water;h=h[2];T=T[2]) "Entropia do vapor deescape" 101: s[3]=entropy(water;h=h[3];T=T[3]) "Entropia do vapor decauda"
102: x[2]=quality(water;h=h[2];T=T[2]) "Título do vapor deescape" 103: x[3]=quality(water;h=h[3];T=T[3]) "Título do vapor na cauda daturbina" 104: 105: "Balanço de massa na turbina" 106: 107: m_dot_vapor=m_dot_vap.escape+m_dot_vap.cauda 108: 109: 110: "PURGA DE CONDENSADO ANTES DE SER USADO NO PROCESSO" 111: 112: "RETORNO DE CONDENSADO DO PROCESSO INDUSTRIAL" 113: m_dot_retorno=m_dot_vap.processo*0,90 "Considerado perdas no processo de 10% da vazão devapor" 114: T_cond=90[C] "Considerado que todo condensado é coletado em umtanquederecuperação e retorna para o ciclo a 90C" 115: P_cond=P[2] "Pressão de retorno = pressão no desaerador = Pressãodovapordeescape" 116: 117: m_agua.dessuper=if(x[2];100;0;m_dot_agua.dessuper;0) "Seovaporde escape estiver superaquecido agua deve ser alimentada no dessuperaquecedor para obter vapor saturado para o processo de produção doetanol" 118: m_dot_purgador=if(x[2];100;-m_dot_agua.dessuper;0;0) "Seovaporde escape tiver x<1 o condensado precisa ser retirado empurgadores" 119: 120: "DESSUPERAQUECEDOR E VAPOR DE PROCESSO" 121: "Balanços de massa" 122: m_dot_vap.escape=m_dot_vap.dessuper+m_dot_vap.desaerador 123: m_dot_vap.processo=Cons.Vapor_processo*M_dot_cana*(1/1000) "Consumo de vapor para oprocesso" 124: m_dot_vap.processo=m_dot_vap.dessuper+m_dot_agua.dessuper 125: 126: "Balanço de energia no dessuperaquecedor" 127: m_dot_vap.processo*h_pro=m_dot_vap.dessuper*h[2]+m_dot_agua.dessuper*h_rep.des 128: h_pro=enthalpy(water;T=T_pro;x=1):T_pro=T_sat(water;P=P[2]) "Considerad o que o processo industrial utiliza vaporsaturado" 129:
117130: 131: 132: "DESAERADOR" 133: "Balanço de massa no desaerador" 134: 135: m_dot_retorno+m_dot_vap.desaerador+m_dot_vap.cauda+m_dot_rep.desaerador+m_dot_purgador = m_dot_agua 136: 137: "Balanço de energia no desaerador" 138: 139: m_dot_retorno*h_cond+m_dot_vap.desaerador*h[2]+m_dot_vap.cauda*h[5]+m_dot_rep.desaerador*h_rep.des
+m_dot_purgador*h_purgador=m_dot_agua*h[6] 140: h_cond=enthalpy(water;T=T_cond;P=P_cond): h_purgador=enthalpy(water;p=p[2]; x=0): h_rep.des=enthalpy(water;T=T_amb;P=P_rep.des): T_amb=25 141: P_rep.des=P[2] "Pressão no desaerador é a pressão de escape daturbina" 142: 143: "Conversão de unidades para ton/h" 144: 145: m_bar_vap.escape=m_dot_vap.escape/1000 [ton/h] 146: m_bar_vap.cauda=m_dot_vap.cauda/1000 [ton/h] 147: m_bar_vap.processo=m_dot_vap.processo/1000 [ton/h] 148: m_bar_vap.desaerador=m_dot_vap.desaerador/1000 [ton/h] 149: m_bar_rep.desaerador=m_dot_rep.desaerador/1000 [ton/h] 150: m_bar_feed.water.=m_dot_agua/1000 [ton/h] 151: m_bar_purga=m_dot_purga/1000 [ton/h] 152: m_bar_purgador=m_dot_purgador/1000 [ton/h]
153: 154: "CONDENSADOR" 155: 156: Q_dot_out=m_dot_vap.cauda*(h[3]-h[4]) "Balanço de energia --> Calor transferido dacondensaçãodovapor para a torre deresfriamento" 157: 158: 159: "TORRE DE RESFRIAMENTO" 160: 161: Q_dot_out = m_dot_recirculação*(h_out-h_in) 162: h_out=enthalpy(water;P=P_out;T=T_out): h_in=enthalpy(water;P=P_in;T=T_in): P_in=1: P_out=1: 163: m_dot_repos.torre=Y_perdas*m_dot_recirculação "Y_perdas corresponde a uma estimativa de perdas deáguaporevaporação, purga e arraste na torre deresfriamento" 164: m_dot_rep.total=m_dot_repos.torre+m_dot_rep.desaerador+m_dot_agua.dessuper 165: m_bar_repos.torre=m_dot_repos.torre/1000 [ton/h] 166: m_bar_rep.total=m_dot_rep.total/1000 [ton/h] 167: m_bar_vap.dessuper=m_dot_vap.dessuper/1000 [ton/h] 168: Perc.torre=m_dot_repos.torre/m_dot_rep.total*100 169: Perc.desaerador=m_dot_rep.desaerador/m_dot_rep.total*100 170: Perc.dessuper=m_dot_vap.dessuper/m_dot_rep.total*100 171: Tap.water_torre=m_dot_repos.torre/(m_dot_cana/1000) 172:Tap.water_deionised.processo=(m_dot_agua.dessuper)/(m_dot_cana/1000) "Tap waterdoprocesso" 173: Tap.water_deionised.caldeira=(m_dot_rep.desaerador)/(m_dot_cana/1000) "Tap waterdacaldeira" 174:
118175: 176: 177: "CÁLCULO DAS POTÊNCIAS ELÉTRICAS" 178: "Potência elétrica gerada" 179: 180: POT_elétr.gerada=(POT_1+POT_2+POT_reaq)*eta_g*convert(kJ/h;MW) "Potencia elétrica total gerada noturbogerador" 181: POT_reaq=m_dot_vap.reaq*(h[1]-h[8]) "Potencia gerada pelo vapor dacauda" 182: POT_1=m_dot_vap.escape*(h[9]-h[2]) "Potencia gerada pelo vapor de escape aP=2,5bar" 183: POT_2=m_dot_vap.cauda*(h[9]-h[3]) "Potencia gerada pelo vapor dacauda" 184: 185: "Consumo das bombas do ciclo" 186: 187: POT_elétr.consumida=(POT_B1+POT_B2)*convert(kJ/h;MW) "Potência consumida pelasbombas" 188: POT_B1=m_dot_vap.cauda*(h[5]-h[4]) "Potência consumida pelabomba1" 189: POT_B2=m_dot_agua*(h[7]-h[6]) "Potência consumida pelabomba1" 190: 191: 192: "EFICIÊNCIA GLOBAL DA UNIDADE DE COGERAÇÃO COM REAQUECIMENTO" 193: "Cálculo da eficiência energética" 194: 195: eta_Energética.Global=(POT_elétr.líquida + POT_processo)/POT_entrada*100 196: 197: "Potência líquida gerada na unidade de cogeração" 198: 199: POT_elétr.líquida = POT_elétr.gerada - POT_elétr.consumida 200: 201: "Potência utilizada no processo industrial" 202: 203: POT_processo=m_dot_vap.processo*(h_pro-h_sat)*convert(kJ/h;MW) 204: POT_desaerador=m_dot_vap.desaerador*(h[2]-h[6])*convert(kJ/h;MW) 205: POT_desaerador.perc=POT_desaerador/POT_entrada*100 206: POT_processo.perc=POT_processo/POT_entrada*100 207: h_sat=enthalpy(water;x=0;p=2,5) 208:
209: 210: "Alimentação energética na fornalha da caldeira" 211: 212: POT_entrada=(m_dot_bagaço*PCI_bagaço+m_dot_palha*PCI_palhaumid)*convert(kJ/h;MW) 213: 214: "APLICAÇÃO DA 2A LEI DA TERMODINÂMICA - ANÁLISE EXERGÉTICA" 215: "Ambiente de referência considerado: Po=1 bar e To=25 C" 216: 217: T0=25 [C] 218: P0=1 [Bar] 219: P00_h20=0,0303 [Bar] 220: 221: "LIMITE TEÓRICO DE EFICIÊNCIA - CICLO DE CARNOT" 222: 223: eta_Carnot=(1-(T[3]+273,15)/(T[1]+273,15))*100 "Trabalho máximoteórico"
119224: 225: "Trabalho útil final - saída do gerador" 226: 227: EXERGY.in_fuel=POT_entrada 228: EXERGY.out_electricity=POT_elétr.líquida 229: EXERGY.out_electricity.perc=POT_elétr.líquida/POT_entrada*100 230: 231: "BOILER" 232: 233: B_1=m_dot_vapor*(h[1]-h[0]-(T0+273,15)*(s[1]-s[0]))*convert(kJ/h;MW) "Exergiadovapor de saída do gerador devapor" 234: h[0]=enthalpy(water;t=T0;P=P0) 235: s[0]=entropy(water;t=T0;P=P0) 236: B_fuel=EXERGY.in_fuel 237: 238: "TURBINE" 239: "Exergia das correntes de vapor de escape e cauda" 240: 241: B_2=m_dot_vap.escape*(h[2]-h[0]-(T0+273,15)*(s[2]-s[0]))*convert(kJ/h;MW) "Exergiadovapor deescape" 242: B_3=m_dot_vap.cauda*(h[3]-h[0]-(T0+273,15)*(s[3]-s[0]))*convert(kJ/h;MW) "Exergiadovapor decauda" 243: 244: "Exergia da corrente de reaquecimento" 245: 246: B_8=m_dot_vapor*(h[8]-h[0]-(T0+273,15)*(s[8]-s[0]))*convert(kJ/h;MW) "Exergiadovapor para reaquecimento na saída daturbina" 247: B_9=m_dot_vapor*(h[9]-h[0]-(T0+273,15)*(s[9]-s[0]))*convert(kJ/h;MW) "Exergiadovapor apósreaquecimento" 248: 249: "Balanço de exergia na turbina" 250: 251: Bdest_turbine=B_1+B_9 - (B_2+B_3+B_8+POT_elétr.gerada/eta_g) "Exergia destruída na turbina" 252: Bdest_turbine.perc=Bdest_turbine/B_fuel*100 "Percentual de exergia destruída na turbina" 253: B_2_perc=B_2/POT_entrada*100 "Percentual de exergia no vapor de escape" 254:B_liq=POT_elétr.gerada/POT_entrada*100 "Percentual de exergia (trabalho) na saída do gerador" 255: 256: "Consumo de exergia no processo industrial associado ao consumo específico de vapor" 257: 258: EXERGY.out_process=m_dot_vap.processo*(h_pro-h[0]-(T0+273,15)*(s_pro-s[0]))*convert(kJ/h;MW) 259: s_pro = entropy(water;p=2,5;t=127,5)
260: EXERGY.out_process.perc=EXERGY.out_process/POT_entrada*100 261: EXERGY.out_deaerator=B_2-EXERGY.out_process 262: EXERGY.out_deaerator.perc=EXERGY.out_deaerator/POT_entrada*100 263:
120264: "DESSUPERAQUECEDOR" 265: "Balanço de entropia no dessuper" 266: 267: S_ger.dessuper=m_dot_vap.processo*s_pro - (m_agua.dessuper*s_agua + (m_dot_vap.dessuper-m_dot_purgador)*s[2]) 268: s_agua = entropy(water;p=2,5;t=25) 269: Bdest_dessuper=(T0+273,15)*S_ger.dessuper*convert(kJ/h;MW) "Exergia destruída nodessuperaquecedor" 270: Bdest_dessuper.perc=Bdest_dessuper/B_fuel*100 "Percentual de exergia destruída nodessuperaquecedor" 271: 272: "CONDENSADOR" 273: 274: B_4=m_dot_vap.cauda*(h[4]-h[0]-(T0+273,15)*(s[4]-s[0]))*convert(kJ/h;MW) "Exergianasaída docondensador" 275: Bdest_condenser=B_3-B_4 "Exergia destruída no condensador" 276: Bdest_condenser.perc=Bdest_condenser/B_fuel*100 "Percentual de exergia destruída nocondensador" 277: 278: "BOMBA 1" 279: 280: B_5=m_dot_vap.cauda*(h[5]-h[0]-(T0+273,15)*(s[5]-s[0]))*convert(kJ/h;MW) "Exergianasaída da bomba1" 281: Bdest_B1=B_4-B_5+W_B1 "Exergiadestruída na bomba 1" 282: W_B1=m_dot_vap.cauda*(h[5]-h[4])*convert(kJ/h;MW) "Trabalho realizado pela bomba B1" 283: Bdest_B1.perc=Bdest_B1/B_fuel*100 "Percentualde exergia destruída na bomba 1" 284: 285: "DESAERADOR" 286: "Balanço de entropia no dessuperaquecedor" 287: 288: S_ger.desaerador =m_dot_agua*s[6] -(m_dot_retorno*s_cond+m_dot_vap.desaerador*s[2]+m_dot_vap.cauda*s[5] +m_dot_rep.desaerador*s_agua+m_dot_purgador*s_sat) 289: s_cond=entropy(water;T=T_cond;P=P_cond): s_sat=entropy(water;P=2,5;x=0) 290: Bdest_desaerador=(T0+273,15)*S_ger.desaerador*convert(kJ/h;MW) "Exergia destruída nodesaerador" 291: Bdest_desaerador.perc=Bdest_desaerador/B_fuel*100 "Percentual de exergia destruída nodesaerador" 292: 293: 294: "BOMBA 2" 295: 296: B_7=m_dot_agua*(h[7]-h[0]-(T0+273,15)*(s[7]-s[0]))*convert(kJ/h;MW) "Exergianasaída da bomba2" 297: B_6=m_dot_agua*(h[6]-h[0]-(T0+273,15)*(s[6]-s[0]))*convert(kJ/h;"Exergianaentrada da bomba2" 298: W_B2=m_dot_agua*(h[7]-h[6])*convert(kJ/h;MW) "Trabalho realizado pela bombaB2" 299: Bdest_B2=B_7-B_6+W_B2 "Exergia destruída na bomba 2"
121300: Bdest_B2.perc=Bdest_B2/B_fuel*100 "Percentualde exergia destruída na bomba 2" 301: 302: "BOILER" 303:
304: B_7 + B_fuel +B_8=B_1+B_purga+B_9+Bdest_boiler "Balanço de exergia nacaldeira" 305: Bdest_boiler.perc=Bdest_boiler/B_fuel*100 "Percentualde exergia destruída na caldeira" 306: B_purga=m_dot_purga*(h_purga-h[0]-(T0+273,15)*(s_purga-s[0]))*convert(kJ/h;MW) 307: s_purga=entropy(water;h=h_purga;T=T_purga) 308: 309: 310: Total_exergy.dest=Bdest_B1+Bdest_B2+Bdest_desaerador+Bdest_condenser+Bdest_boiler+Bdest_turbine 311: Total_exergy.dest.perc=Total_exergy.dest/B_fuel*100 312: 313: 314: "Eficiência Exergética" 315: "Cálculo da eficiência exergética global" 316: 317: eta_EXergética.Global=(POT_elétr.líquida + EXERGY.out_process)/POT_entrada*100 318: 319: eta_Ex.ref.Carnot=eta_EXergética.Global/eta_Carnot*100 320: 321: 322: "Distribuição de exergia entre vapor e eletricidade" 323: 324: Exergia_vapor.perc = EXERGY.out_process/(POT_elétr.líquida + EXERGY.out_process)*100 325: 326: Exergia_eletricidade.perc = POT_elétr.líquida/(POT_elétr.líquida + EXERGY.out_process)*100 327: 328: 329: 330: "ANÁLISE COMPLEMENTAR 1A LEI - PERDAS ENERGÉTICAS" 331: "Perdas na Caldeira e turbina" 332: 333: Boiler_losses=POT_entrada*(1-eta_c) 334: Boiler_losses.perc=Boiler_losses/POT_entrada*100 335: Turbine_losses=(POT_1+POT_2+POT_reaq)*(1-eta_t)*convert(kJ/h;MW) 336: Turbine_losses.perc=Turbine_losses/POT_entrada*100 337: 338: "Perdas no condensador" 339: 340: POT_condensador=Q_dot_out*convert(kJ/h;MW) "Energia perdida nocondensador" 341: POT_condensador.perc=POT_condensador/POT_entrada*100 342: Condenser_losses=POT_condensador 343: 344: "Perdas no processo" 345: 346: process_losses = POT_entrada - (POT_processo+POT_elétr.gerada+POT_condensador+Turbine_losses+Boiler_losses) 347: process_losses.perc=process_losses/POT_entrada*100 348: 349: 350: "Cálculo da energia elétrica gerada por tonela de cana por tonelada de cana" 351:
122352: GeraçãoEletric.Espec.Total =POT_elétr.líquida*Período_safra*1000*24/Cana_safra 353: GeraçãoEletric.Espec.Excedente = GeraçãoEletric.Espec.Total - ConsumoEletr.Processo 354: 355: 356: 357: "ALOCAÇÃO" 358: 359: "Critério energético" 360: POT_específica_processo = POT_processo*Período_safra*1000*24/Cana_safra
361: Alocação_energia_vapor = POT_específica_processo/(POT_específica_processo+GeraçãoEletric.Espec.Excedente +ConsumoEletr.Processo)*100 362: Alocação_energia_eletr.exp = GeraçãoEletric.Espec.Excedente/(POT_específica_processo +GeraçãoEletric.Espec.Excedente+ConsumoEletr.Processo)*100 363: Alocação_energia_eletr.proc = ConsumoEletr.Processo/(POT_específica_processo+GeraçãoEletric.Espec.Excedente +ConsumoEletr.Processo)*100 364: 365: 366: "Critério exergético" 367: EXERGY.out_específica_process = EXERGY.out_process*Período_safra*1000*24/Cana_safra 368: Alocação_exergia_vapor = EXERGY.out_específica_process/(EXERGY.out_específica_process +GeraçãoEletric.Espec.Excedente+ConsumoEletr.Processo)*100 369: Alocação_exergia_eletr.exp = GeraçãoEletric.Espec.Excedente/(EXERGY.out_específica_process +GeraçãoEletric.Espec.Excedente+ConsumoEletr.Processo)*100 370: Alocação_exergia_eletr.proc = ConsumoEletr.Processo/(EXERGY.out_específica_process +GeraçãoEletric.Espec.Excedente+ConsumoEletr.Processo)*100 371: 372: 373: 374: 375: "Distribuição de energia entre vapor e eletricidade" 376: 377: Energia_vapor.perc = POT_processo/(POT_processo + POT_elétr.líquida)*100 378: 379: Energia_eletricidade.perc = POT_elétr.líquida/(POT_processo + POT_elétr.líquida)*100 380: 381:
